Luận án tiến sĩ mô hình đặc tính kênh truyền cho thông tin thủy âm vùng nước nông (tt0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ VIỆT HÀ

MÔ HÌNH ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN
CHO THÔNG TIN THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62520208

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2017


Công trình này được hoàn thành tại
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Nguyễn Văn Đức
2. TS Phạm Văn Tiến

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường
họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

vào hồi . . . giờ, ngày . . . tháng . . . năm . . .

Có thể tìm hiểu luận án tại:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


GIỚI THIỆU
1. Lý do chọn đề tài
Hệ thống thông tin dưới nước có rất nhiều ứng dụng trong thương mại cũng
như trong quân sự. Hiện nay, việc phát triển và nâng cao chất lượng dịch
vụ hệ thống vẫn đối mặt với nhiều thách thức như sự giới hạn phổ tần số,
tính biến động theo thời gian của kênh pha đinh sóng âm trong môi trường
nước. Do đặc tính phức tạp của kênh thủy âm, chúng ta cần xét các kênh
thủy âm theo mỗi điều kiện môi trường và địa lý khác nhau. Do đó, luận
án tập trung vào hai mục tiêu là mô hình kênh và phân tích hiệu năng hệ
thống thông tin thủy âm.
2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong vài thập kỷ qua, có rất nhiều mô hình kênh thủy âm đã được đề
xuất nhưng hiện vẫn chưa có một mô hình kênh tiêu chuẩn nào có thể áp
dụng chung cho tất cả các kênh thủy âm do sự khác biệt trong điều kiện
địa lý, thời tiết và theo mùa [24, 70, 73, 88, 93, 96]. Hiện nay có hai phương
pháp chính để xây dựng các bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm là: phương
pháp dựa trên mô hình hình học và phương pháp dựa trên dữ liệu đo.
Các bộ mô phỏng dựa trên mô hình hình học sẽ dùng mô hình với các
yếu tố hình học để xác định các tham số của mô hình kênh truyền. Mã
Bellhop là một ví dụ điển hình cho phương pháp này, xây dựng mô hình
kênh thủy âm dùng lý thuyết tia nhưng không xét đến sự biến đổi ngẫu
nhiên của kênh [75]. Để khắc phục, một số nghiên cứu dựa trên mô hình
Bellhop kết hợp với điều kiện môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ và độ
mặn [89], tốc độ gió [28], hình dạng của bề mặt nước [37]. Một cách khác
để xây dựng bộ mô phỏng kênh dựa trên mô hình hình học là kết hợp lý

thuyết tia với các phương pháp thống kê để mô tả môi trường truyền sóng
thủy âm [13, 17, 27, 55, 73, 75, 103, 104]. Phương pháp này có ưu điểm là
1


mô tả được kênh một cách tổng quát với số lượng ít các tham số cần ước
lượng và có khả năng mở rộng theo các tham số hình học, điều kiện môi
trường; do đó thường được dùng cho mục đích nghiên cứu tham số [55].
Nhược điểm của nó là kênh mô phỏng tạo ra rất khó trùng khớp với kênh
thực tế trong một thời điểm cụ thể do khó xác định chính xác các tham số
của môi trường nước nông.
Phương pháp mô hình kênh dựa trên dữ liệu đo được xây dựng từ số
liệu đo kênh thủy âm của một vùng cụ thể [24, 74, 76, 85, 105]. Bộ mô
phỏng kênh truyền dựa trên dữ liệu đo không yêu cầu các tham số vật lý
đầu vào vốn rất khó có thể xác định chính xác theo thời gian. Ưu điểm nổi
bật nữa của phương pháp này là kênh mô phỏng tạo ra tái tạo rất chính
xác kênh thực tế. Nhược điểm của phương pháp này là nó chỉ áp dụng cho
một môi trường ở một thời điểm nhất định theo kênh đo đạc. Ngoài ra, cần
áp dụng các thuật toán tối ưu để ước lượng một số lượng lớn các tham số
khiến độ phức tạp trong tính toán của phương pháp này lớn hơn phương
pháp dùng mô hình hình học. Tuy nhiên, để triển khai và tối ưu hệ thống
thực tế thì việc đo kênh là bắt buộc.
Tại Việt nam, mặc dù nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin thủy âm
tăng nhanh trong quốc phòng và thương mại, tuy nhiên không có nhiều
nghiên cứu về thông tin thủy âm, đặc biệt là trong lĩnh vực mô hình kênh
[2, 3, 6]. Trong các nghiên cứu [1, 4, 5, 7, 8], một số đặc tính truyền sóng
thủy âm được khảo sát nhưng chưa đưa ra một mô hình kênh toàn diện.
Trong [6], các tác giả mô phỏng kênh tia truyền sóng âm qua việc giải hệ
phương trình Eikonal với các đầu vào là các tham số môi trường. Các tham
số này rất khó xác định chính xác do tính phức tạp của môi trường truyền

sóng thủy âm. Thêm vào đó, các tia sóng âm được mô phỏng không phản
ánh được tính biến động theo thời gian, do đó khó có thể áp dụng để mô
hình kênh thủy âm trong thực tế trong hầu hết các trường hợp.
3. Mục tiêu của luận án
Luận án tập trung vào việc xây dựng các phương pháp hiệu quả và đủ
chính xác để thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm dựa trên dữ liệu đo đạc
trong môi trường nước nông. Mô hình mô phỏng này sẽ được dùng trong
việc khảo sát chất lượng hệ thống thông tin thủy âm dùng kỹ thuật ghép
2


kênh đa sóng mang trực giao OFDM.
4. Động lực nghiên cứu
Hai phương pháp thiết kế các bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm, phương
pháp dùng mô hình hình học và dùng dữ liệu đo kênh, đều có những ưu
nhược điểm nhất định. Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng để chọn phương
pháp thiết kế. Trong luận án này, tác giả tập trung vào phương pháp dùng
dữ liệu đo để xây dựng các bộ mô phỏng kênh phục vụ cho việc tối ưu và
triển khai hệ thống thực tế. Độ phức tạp trong tính toán số lượng lớn các
tham số của phương pháp này là động lực để luận án đề xuất một phương
pháp thiết kế nhằm giảm độ phức tạp tính toán đồng thời vẫn mô tả được
kênh thủy âm thực tế.
Bên cạnh đó, để thiết kế và khảo sát chất lượng hệ thống thông tin thủy
âm, cần dựa trên việc phân tích các hàm đặc trưng cho kênh thủy âm gồm
các hàm tương quan, mật độ phổ công suất Doppler (PSDs) và hàm công
suất trễ (PDP) [55, 56]. Trong thực tế, các nghiên cứu về phổ Doppler lại
rất hạn chế [94, 101] mặc dù nó đóng vai trò quan trọng trong việc đánh
giá hệ thống thông tin thủy âm. Đó chính là động lực cho việc phân tích
và đề xuất một mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm vùng nước nông,
nơi có hiệu ứng Doppler mạnh do sự nhiễu động của bề mặt.

Một nhiệm vụ quan trọng nữa là việc phân tích và đánh giá chất lượng
hệ thống thông tin (HTTT) thủy âm. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh đa sóng
mang trực giao OFDM được áp dụng rộng rãi trong HTTT thủy âm vì nó
loại bỏ được nhiễu liên ký tự (ISI) [10, 22, 42, 68, 86] đồng thời làm tăng
hiệu quả phổ so với hệ thống đơn sóng mang. Tuy nhiên hệ thống OFDM
lại rất nhạy với dịch tần Doppler do các sóng mang sẽ mất tính trực giao và
tạo nhiễu liên kênh ICI. Một số nghiên cứu dựa vào giả thiết phổ Doppler
dạng phổ Jake, phổ phân bố đều hoặc phổ hai đường [9, 22, 47, 86] để phân
tích ảnh hưởng của nhiễu ICI lên chất lượng hệ thống. Tuy nhiên các giả
thiết này chưa được xác nhận tính đúng đắn. Luận án sẽ xem xét ảnh
hưởng của nhiễu ICI bằng cách sử dụng bộ mô phỏng kênh dựa trên dữ
liệu đo, phản ảnh đầy đủ các tính chất thực tế của kênh thủy âm thực tế.
Hơn nữa, nhiễu trong HTTT thủy âm sẽ được xét là nhiễu màu chứ không
coi là nhiễu trắng. Và hai loại nhiễu này sẽ được cùng xem xét để đánh
3


giá tác động tổng hợp của chúng lên chất lượng hệ thống thủy âm OFDM,
khác với một số nghiên cứu hiện nay chỉ xét một trong 2 loại nhiễu này
hoặc coi nhiễu môi trường là nhiễu trắng [9, 22, 86].
5. Đóng góp của luận án
Luận án tập trung vào việc phân tích các phương pháp mô hình kênh truyền
thủy âm vùng nước nông và khảo sát chất lượng HTTT thủy âm, các đóng
góp chính của luận án như sau:
1. Đề xuất phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm đơn giản
trong tính toán và mô tả được các đặc tính của kênh thủy âm đo
đạc trong thực tế. Đóng góp này được trình bày trong [J2], bộ mô
phỏng kênh theo phương pháp hình học được ứng dụng trong [C1],
theo phương pháp dựa trên dự liệu đo trong [J1],[J2].
2. Phân tích cơ sở lý thuyết hiệu ứng Doppler trong thông tin dưới nước

từ cả 2 nguyên nhân: sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy
phát, sự dịch chuyển phức tạp của mặt nước. Từ đó, đề xuất một mô
hình phổ Doppler cho kênh thủy âm và xác nhận tính chính xác của
nó thông qua dữ liệu đo phổ Doppler thực tế. Đóng góp này được
công bố trong [J3].
3. Thực hiện phân tích nhiễu ICI kết hợp với nhiễu môi trường đến
HTTT thủy âm dùng kênh mô phỏng dựa trên dữ liệu đo. Dựa trên
các kết quả phân tích tỷ số SIR, SINR và dung lượng kênh, các thông
số thích hợp cho HTTT thủy âm được xác định. Các kết quả này rất
có ích trong việc lựa chọn các tham số tối ưu trong thiết kế HTTT
thủy âm. Nội dung của các đóng góp này được công bố trong [J1],
[C1] và [C2].
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm 3 chương. Chương 1 tập trung phân tích và đề xuất phương
pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm. Chương 2 đề xuất và kiểm chứng
mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm nước nông. Kháo sát chất lượng
HTTT thủy âm dùng kỹ thuật OFDM được trình bày trong chương 3.
4


Chương 1
THIẾT KẾ BỘ MÔ PHỎNG KÊNH THỦY ÂM VÙNG
NƯỚC NÔNG

Chương này phân tích các phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy
âm và đề xuất một phương pháp hiệu quả có độ chính xác cao, đồng thời
giảm độ phức tạp trong tính toán. Ưu điểm chính của phương pháp đề xuất
là các tham số của mô hình kênh được trích xuất trực tiếp từ dữ liệu đo.

1.1. Mô hình mô phỏng

Để mô tả các kênh phức tạp như kênh thủy âm nước nông, mô hình kênh
băng rộng không tương quan dạng tổng các hàm sin phức (SOCUS) được
dùng phổ biến [38, 56]. Đáp ứng xung (TVCIR) của mô hình kênh này như
sau [62]
L−1 Nl

cn,l ej (2πfn,l t+θn,l ) δ (τ − τl ) ,

h (τ, t) =

(1.1)

l=0 n=1

trong đó L là số các đường truyền sóng có trễ truyền lan τl khác nhau, Nl
là số các đường truyền có cùng trễ truyền lan τl . Mỗi thành phần thứ n
của đường truyền thứ l được đặc trưng bằng biên độ cn,l , tần số Doppler
fn,l và pha θn,l .
Giả thiết mô hình kênh dừng theo nghĩa rộng, hàm tương quan thời

5


gian tần số T-FCF được tính như sau [62]:
L−1 Nl

c2n,l ej2π(fn,l ∆t−τl ∆f )

RHH (∆f, ∆t) =

(1.2)

l=0 n=1

1.2. Đề xuất phương pháp thiết kế cho kênh tĩnh

Hình 1.10: Lưu đồ thực hiện phương pháp đề xuất cho thiết kế bộ mô
phỏng kênh tĩnh (máy thu phát cố định).

Các bước thiết kế trong lưu đồ Hình 1.10 được mô tả như sau:
• Bước 1: Dựa vào dữ liệu đo kênh thực tế, hàm PDP ρˆ (τl ), với l =
0, 1, ..., L − 1, được xác định.
• Bước 2: Mô hình mô phỏng của phương pháp đề xuất dùng mô hình
SOCUS, phù hợp để thiết kế các bộ mô phỏng dựa trên dữ liệu đo.
Với trường hợp kênh tĩnh, máy thu phát cố định nên không có dịch
tần Doppler. Do đó, đặc tính thống kê của kênh được mô tả bằng
6


hàm tương quan tần số FCF RHH (∆f ) như sau:
L−1 Nl

c2n,l e−j2π∆f τl

RHH (∆f ) =

(1.3)

l=0 n=1

với L được lấy trực tiếp từ PDP đo được.
• Bước 3: Xác định các tham số cho mô hình kênh mô phỏng. Trễ
truyền dẫn τl , với l = 0, 1, ..., L − 1, được trích trực tiếp từ PDP đo
được ρˆ (τl ), trong khi biên độ của mỗi đường cn,l được tính từ PDP
ρˆ (τl ) như sau:
cn,l = ρˆ (τl ),
(1.4)
với n = 1, 2, ..., Nl . Số lượng các thành phần Nl của mỗi đường truyền,
ˆ (τl , t) đo được.
với l = 0, 1, ..., L − 1, được lấy trực tiếp từ TVCIR h
Tóm lại, toàn bộ các thông số của mô hình đề xuất đều được lấy từ dữ
liệu đo (hàm trễ công suất PDP của kênh thủy âm thực tế) mà không cần
áp dụng một phương pháp tính toán tối ưu nào.

Normalized FCF

1

0.8

0.6

0.4

0.2
-600

Reference model
Measurement-based simulation model
Geometry-based simulation model

The proposed simulation model

-400

-200

0
200
∆ f [Hz]

400

600

Hình 1.11: So sánh giữa hàm tương quan tần số FCF của kênh đo thực
tế và của các phương pháp mô phỏng.

Để đánh giá tính chính xác của bộ mô phỏng đề xuất, hàm tương quan
tần số FCF của mô hình mô phỏng thu được bằng phương pháp dựa trên
7


Bảng 1.2: So sánh các phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm
Dựa trên mô
Dựa trên dữ liệu
Phương pháp đề
Phương pháp
hình hình học
đo
xuất

Yêu cầu các
phương pháp tính
Có
Có
Không
toán tối ưu
Các thông số
Hàm PDP đo
Hàm PDP đo
Dữ liệu vào yêu
hình học và môi
được của kênh
được của kênh
cấu
trường của kênh
thực tế
thực tế
thủy âm
Tham số của các
Số lượng các
Vị trí các điểm
đường truyền L ×
tham số kênh cần
None
phản xạ xopt
opt opt
i,n
N
×
c

,
τ
ước lượng
l
n,l l
Sai số MSE

0.3824

1.2607 × 10−16

1.5010 × 10−16


dữ liệu đo truyền thống và phương pháp đề xuất sẽ được so sánh với nhau
như trên Hình 1.11. Ta có thể thấy bộ mô phỏng đề xuất mô tả chính xác
kênh đo được. Để so sánh các phương pháp, ta tính sai số trung bình bình
phương (MSE: Mean Square Error) của hàm FCF mô phỏng với hàm FCF
thực tế của kênh. Kết quả MSE và so sánh các yếu tố khác giữa các phương
pháp vừa phân tích được liệt kê trong Bảng 1.2. Ta thấy phương pháp đề
xuất có độ chính xác khá cao. Do đó có thể sử dụng tin cậy để mô phỏng
kênh thủy âm. Cần nhấn mạnh rằng, phương pháp đề xuất không cần áp
dụng một phương pháp tính toán tối ưu nào để xác định tham số như hai
phương pháp hiện tại (dựa trên mô hình hình học và dữ liệu đo truyền
thống).

1.3. Đề xuất phương pháp thiết kế cho kênh động
Phần này đề xuất một phương pháp thiết kế hiệu quả để thiết kế bộ mô
phỏng cho trường hợp kênh động, nghĩa là có sự dịch chuyển giữa máy thu
phát và có hiệu ứng Doppler. Trong phương pháp đề xuất, chỉ có tần số

Doppler của mỗi đường truyền là cần ước lượng bằng cách áp dụng thuật
toán tối ưu, trong khi các tham số khác như biên độ và trễ truyền dẫn của
mỗi đường truyền sẽ được lấy trực tiếp từ dữ liệu đo. Do đó, số lượng các
tham số cần ước lượng sẽ giảm đi đáng kể. Các bước thực hiện thiết kế
bộ mô phỏng kênh thủy âm theo phương pháp đề xuất được minh họa trên
Hình 1.15, cụ thể như sau:
• Bước 1: Dựa trên dữ liệu đo, hàm công suất trễ PDP ρˆ (τl ) và phổ
Doppler Sˆ (f ) của kênh đo được xác định. Từ đó, hàm tương quan
ˆ HH (∆t) của mô hình tham chiếu được lấy bằng biến
thời gian TCF R
đổi Fourier ngược của phổ Doppler đo được Sˆ (f ).
• Bước 2: Mô hình kênh mô phỏng được chọn là mô hình SOCUS với
pha θn,l ngẫu nhiên; còn các thành phần biên độ cn,l , trễ truyền dẫn
τl , tần số Doppler fn,l và số các thành phần Nl có cùng trễ τl là xác
định. Đặt ∆t = 0 của hàm T-FCF RHH (∆f, ∆t), hàm tương quan

9


Hình 1.15: Lưu đồ thực hiện phương pháp đề xuất cho trường hợp kênh
động (máy thu dịch chuyển).
tần số FCF của mô hình mô phỏng RHH (∆f ) được tính bởi
L−1 Nl

c2n,l e−j2πτl ∆f .

RHH (∆f ) =

(1.5)

l=0 n=1

Tương tự, hàm tương quan thời gian TCF của mô hình mô phỏng
RHH (∆t) được xác định bằng cách đặc ∆t = 0, nghĩa là
L−1 Nl

c2n,l ej2πfn,l ∆t .

RHH (∆t) =

(1.6)

l=0 n=1

• Bước 3: Trễ truyền dẫn τl được lấy trực tiếp từ PDP ρˆ (τl ) đo được,
còn biên độ mỗi đường cn,l được tính bằng
cn,l =
10

ρˆ (l∆τ )

(1.7)


với l = 0, 1, ..., L − 1 và Nl được chọn bằng với phương pháp truyền
thống để dễ so sánh độ phức tạp tính toán.
Do đó, hàm FCF của mô hình mô phỏng được tính từ các thông số
xác định {Nl , cn,l , τl } theo (1.5).
• Bước 4: Thuật toán tối ưu LPNM được áp dụng để ước lượng các
tham số của bộ mô phỏng. Trong phương pháp đề xuất, chỉ có tần số

Doppler fn,l của các đường truyền là cần phải ước lượng bằng cách
tối thiểu hóa hàm sau:

E=

1
∆tmax

 p1

∆tmax

p

ˆ HH (∆t) d (∆t) ,
RHH (∆t) − R

(1.8)

0

ˆ HH (∆t) lần lượt là hàm TCF của mô hình mô
với RHH (∆t) và R
phỏng và mô hình tham chiếu. Biến thời gian ∆t được lấy theo dữ
liệu đo.
Ta thấy tập các tham số kênh {Nl , cn,l , fn,l , τl } đã được xác định với số
tham số cần ước lượng giảm đi. Cụ thể là trong phương pháp đề xuất, số
lượng các tham số cần ước lượng là L × Nl thì trong phương pháp truyền
thống là 3 × L × Nl . Do đó, độ phức tạp trong tính toán giảm còn một phần
ba so với phương pháp truyền thống.

Để đánh giá chất lượng của phương pháp đề xuất, ta so sánh tính chất
thống kê của nó với kênh đo được. Hình 1.17 thể hiện hàm tương quan tần
số-thời gian TFCF của mô hình tham chiếu và mô hình mô phỏng. Ta thấy
hai hàm này khá phù hợp, nói cách khác mô hình mô phỏng có thể tái tạo
lại kênh thủy âm thực tế đo được.

11


Reference T-FCF
Proposed simulation T-FCF

1

12

Normalized T-FCF

0.8
0.6
0.4
0.2
0
800
600

1.5

400

1

200
0.5

0
0

-200
-0.5

-400

∆ f [Hz]

-1

-600
-800

-1.5

∆ t [s]

Hình 1.17 So sánh hàm tham chiếu T-FCF từ dữ liệu đo và hàm T-FCF của mô hình mô phỏng theo phương
pháp đề xuất.


Chương 2
MÔ HÌNH PHỔ CÔNG SUẤT DOPPLER CHO KÊNH

THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG

2.1. Đề xuất mô hình phổ Doppler
Để phân tích lý thuyết hiệu ứng Doppler trong kênh thủy âm ta xem xét
mô hình hình học trong hệ tọa độ 3D cho môi trường nước nông Hình. 2.1,
mô hình này được mở rộng từ mô hình 2D trong [55]. Các điểm tán xạ
Si,n (n = 1, 2, ..., Ni và i = 1, 2) được giả sử là phân phối ngẫu nhiên trên
bề mặt (i = 1) và dưới đáy (i = 2) của môi trường nước nông. Góc tới
(AOA) của đường thứ n được ký hiệu là αi,n . Trong kịch bản xem xét, máy
phát Tx là cố định và máy thu Rx di chuyển với vận tốc VR theo hướng
xác định bởi góc chuyển động αVR . VSn là vận tốc chuyển động bề mặt của
điểm tán xạ S1,n trên bề mặt. Mô hình phổ Doppler sẽ gồm hai thành
phần Doppler gây ra bởi dịch chuyển sóng bề mặt và gây ra bởi máy thu
chuyển động.
Mô hình cho thành phần Doppler do dịch chuyển sóng bề mặt
Điểm tán xạ từ sóng bề mặt có thể xảy ra theo 3 cơ chế khác nhau: tán
xạ Bragg, Burt (hay còn gọi là Spike) và Whitecap. Mỗi cơ chế tán xạ và
phổ Doppler tạo ra bới các cơ chế đó góp phần vào tín hiệu tán xạ được
mô tả trong [98, 99, 100]. Có một số mô hình toán học cho phổ Doppler
do sóng bề mặt gây ra được các tác giả Lee [45], Walker [98, 99], Ward và
các cộng sự [100] đưa ra. Trong số đó, mô hình Walker mô tả toàn bộ phổ
13


Hình 2.1: Mô hình kênh thủy âm vùng nước nông.

Doppler do các cơ chế tán xạ Bragg, Whitecap và Burst bằng tổng của các
phổ dạng Gaussian. Điểm cơ bản của phổ dạng Gaussian là nó đặc trưng
phổ Doppler do cơ chế tán xạ từ các điểm tán xạ có tốc độ dịch chuyển
không cố định, biến động trong một khoảng nào đó [77]. Cơ chế này tương

tự như cơ chế chuyển động của các điểm tán xạ trên mặt nước có vận tốc
biến đổi nhanh theo thời gian. Do đó phổ dạng Gaussian rất phù hợp để
mô tả thành phần Doppler SSurface (f ) do dịch chuyển bề mặt gây ra, được
tính bằng [98]
f −fm 2
1
(2.1)
SSurface (f ) = √ e−( w ) ,
w π
Trong đó w là băng thông phổ, và fm là dịch tần Doppler do sự dịch chuyển
bề mặt tạo ra.
Mô hình thành phần Doppler do sự chuyển động của máy thu Rx
Trong môi trường nước nông, tán xạ bề mặt và tán xạ từ đáy tạo ra hiệu
ứng đa đường mạnh hơn là đường truyền thẳng. Hiệu ứng đa đường này
tương tự như trong kênh vô truyến có hiện tượng đa đường với số lượng lớn
các tín hiệu phản xạ và tán xạ [36]. Tham khảo mô hình kênh mạng không
dây WLAN (Wireless Local Area Network) trong chuẩn 820.11 TGn [53],
hiệu ứng Doppler gây ra bởi sự chuyển động của các phương tiện được mô
tả bằng dạng phổ Spike. Kênh thủy âm nước nông và kênh WLAN có hiệu
ứng đa đường tương tự nhau và cũng từ việc quan sát dạng phổ công suất
14


Doppler từ thử nghiệm thực tế nên ta sử dụng dạng phổ Spike để mô hình
hóa thành phần Doppler SRx (f ) do sự chuyển động của máy thu Rx trong
môi trường nước nông. Do vậy thành phần Doppler SRx (f ) có thể được mô
tả như sau [53]
1
SRx (f ) =
,

(2.2)
f −fSpike 2
1 + C fSpike
Trong đó fSpike là dịch tần Doppler có công suất lớn nhất do Rx chuyển
động gây ra, được xác định như sau [26]
fSpike =

fc × VR
× cos π − αVR ,
cs

(2.3)

trong đó cs là vận tốc sóng âm dưới nước, trong môi trường nước nông vào
khoảng 1500 m/s, và fc là tần số sóng mang. Hệ số C để xác định băng
thông phổ Doppler BSpike được tính như sau:
6
BSpike = √ |fSpike |.
C

(2.4)

Đề xuất mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm vùng nước nông
Như đã nói ở trên, các thành phần Doppler trong kênh thủy âm bao gồm
phổ dạng Spike và phổ dạng Gaussian. Hơn nữa các thành phần Doppler
này được tạo ra từ hai quá trình ngẫu nhiên độc lập khác nhau, sự dịch
chuyển tương đối giữa máy phát/máy thu và dịch chuyển sóng bề mặt. Do
vậy ta đề xuất phổ Doppler tổng quát cho kênh thủy âm là sự kết hợp
tuyến tính của hai dạng phổ này với tham số điều chỉnh A. Tham số này
thể hiện tỷ lệ công suất của phổ dạng Gaussian so với phổ dạng Spike. Kết

quả là mô hình toán học phổ công suất Doppler đề xuất cho kênh thủy âm
vùng nước nông như sau
1

S(f ) =
1+C

f −fSpike
fSpike

2

+ Ae−(

f −fm 2
w

) .

(2.5)

Trong đó số hạng đầu tiên trong (2.5) đại diện cho phổ Doppler dạng Spike
tạo ra do Rx chuyển động. Số hạng thứ hai xác định phổ Doppler dạng
Gaussian do dịch chuyển bề mặt với tham số điều chỉnh A là tỷ lệ giữa
15


-5

0

Spike
Gaussian
Overall

Normalized
Doppler spectrum [dB]

Normalized
Doppler spectrum [dB]

0

-10
-15
-20
-25
-30
-20

-10

0

10

-5
-10
-15
-20

-25
-30
-20

20

Doppler shift frequency [Hz]

Spike
Gaussian
Overall

-10

0

10

20

Doppler shift frequency [Hz]

Hình 2.3: Ảnh hưởng của mỗi thành phần lên phổ Doppler tổng thể.
dạng phổ Gaussian và dạng phổ Spike. Ảnh hưởng của mỗi thành phần
phổ Dopper Spike và Gaussian sẽ được mô tả theo công thức trên. Cụ thể,
ta xét hai trường hợp với giá trị A = −3 dB và A = −15 dB. Với trường hợp
A = −15 dB, kết quả được đưa trên Hình 2.3.a, thành phần Spike sẽ vượt
trội so với Gaussian. Kết quả là phổ Doppler tổng thể của kênh sẽ xấp xỉ
bằng phổ Spike. Trái lại, với A = −3 dB như trong Hình 2.3.b, thành phần
phổ Gaussian là đáng kể so với Spike. Do đó, phổ tổng thể của kênh do cả

hai thành phần này quyết định. Cụ thể, thành phần Gausian gây trải phổ
Doppler, còn Spike sẽ quyết định đỉnh phổ của kênh.

2.2. Đo đạc phổ Doppler
Thuyền phát Tx cố định, thuyền thu Rx chuyển động theo 3 kịch bản
khác nhau để đo phổ Doppler của kênh thủy âm: Thuyền thu dịch chuyển
lại gần, ra xa hoặc xung quanh thuyền phát. Tín hiệu thu được y (t) sẽ
được xử lý để thu được phổ Doppler của kênh thủy âm. Sau đó, các kết
quả đo này sẽ được coi là mô hình tham chiếu để tính toán các tham số
{A, fm , w, C, fSpike } cho mô hình phổ Doppler đề xuất S (f ).

16


2.3. Xác định các tham số của mô hình đề xuất
Để xác định các tham số của mô hình đề xuất phù hợp với mô hình tham
chiếu được xây dựng từ dữ liệu đo, phương pháp tính toán tối ưu LPNM
[59, 63, 65] được áp dụng. Hàm giá trị của phương pháp LPNM được xác
định như sau

1
p

fmax

 1
En = 
f



|S˜n (f ) − S (f ) |p df  ,

(2.6)

fmin

trong đó f = (fmax − fmin ) là dải tần quan sát phụ thuộc vào dữ liệu đo,
S˜n (f ) là mô hình tham chiếu được xây dựng từ dữ liệu đo.

2.4. Kết quả đo và mô hình hóa phổ Doppler

Case 1

Normalized Doppler spectrum [dB]

Normalized Doppler spectrum [dB]

Các tham số tối ưu {A, fm , w, C, fD,max } của mô hình đề xuất phổ Doppler
được lấy ra từ dữ liệu đo bằng cách áp dụng thuật toán tối ưu LPNM cho
mỗi khoảng quan sát tn . Các kết quả cho thấy sự phù hợp giữa kết quả đo
và mô hình phổ Doppler đề xuất cho thấy tính đúng đắn của mô hình đề
xuất. Do đó, có thể sử dụng để mô tả hiệu ứng Doppler của trong kênh
thủy âm vùng nước nông. Hình 2.9 so sánh phổ Doppler đo được và mô
hình đề xuất cho một số trường hợp khảo sát.
0

Measured spectrum
Reference model
Proposed Model

−5
−10
−15
−20
−25
−30
−35
−40
−20

−15

−10

−5

0

5

10

15

20

Doppler shift [Hz]

Case 3
0

Measured spectrum
Reference model
Proposed Model

−5
−10
−15
−20
−25
−30
−35
−40
−20

−15

−10

−5

0

5

10

15

20

Doppler shift [Hz]

Hình 2.9: So sánh phổ Doppler đo được và mô hình phổ Doppler đề xuất
cho một số trường hợp khảo sát.

17


Chương 3
PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG
TIN THỦY ÂM OFDM DÙNG MÔ HÌNH KÊNH DỰA
TRÊN DỮ LIỆU ĐO

3.1. Nhiễu ICI trong hệ thống thông tin thủy âm
Nhiễu liên kênh ICI trong hệ thống thông tin thủy âm dùng kỹ thuật ghép
kênh đa sóng mang trực giao OFDM sẽ được nghiên cứu dùng mô hình kênh
dựa trên dữ liệu đo. Bên cạnh đó, nhiễu môi trường nước cũng được phân
tích. Công suất nhiễu ICI, nhiễu môi trường và các tỷ số SIR và SINR được
tính từ hàm truyền đạt kênh (TVCTF) H [fk , tn ] của mô hình mô phỏng
từ dữ liệu đo. Tỷ số SIR (signal-to-interference ratio) của sóng mang thứ
k được tính như sau [9]
2

N −1

H [fk , tn ]
n=0

SIR [fk ] =

2,

(3.1)

N −1 N −1

H [fm , tn ] ej2π(m−k)n/N
m=0 n=0
m=k

Trong đó N là số sóng mang, tn = nTa và Ta là chu kỳ lấy mẫu, fk = k∆f
với ∆f là độ rộng sóng mang.
Hệ thống thông tin thủy âm bị ảnh hưởng mạnh bởi cả nhiễu ICI và
nhiễu môi trường xung quanh, do đó, tỷ lệ SINR là thông số quan trọng
đánh giá chất lượng hệ thống. Do bản chất hệ thống là băng rộng [88] nên
18


dịch tần Doppler sẽ thay đổi trên mỗi sóng mang con [9]; tỷ lệ SINR sẽ
được tính cho mỗi sóng mang thứ k như sau:
PR [fk ]

1
N

SINR [fk ] =

2

N −1

H [fk , tn ]
n=0
2

PR [fk ]

1
N

N −1 N −1

H [fm , tn ] ej2π(m−k)n/N

+ PN [fk ]

m=0 n=0
m=k
PR [fk ]
N2

=

2

N −1

H [fk , tn ]
n=0

,

2
PR [fk ]
N2

N −1 N −1

H [fm , tn ] ej2π(m−k)n/N

+ PN [fk ]

m=0 n=0
m=k

(3.2)
Với PR [fk ] và PN [fk ] lần lượt là công suất sóng mang thứ k tại máy thu
∆f
và công suất nhiễu trong dải tần fk − ∆f
2 , fk + 2 .

3.2. Tính toán dung lượng kênh
Dung lượng kênh thủy âm OFDM sẽ được tính từ kết quả phân tích SINR
theo hàm truyền đạt của kênh mô phỏng. Không xét đến điều chế và mã
hóa, dùng công thức Shannon, dung lượng kênh của sóng mang thứ k được
tính như sau:
Ck = ∆f log2 (1 + SINR [fk ]) ,

[bits/s]

(3.3)

nhiễu liên ký tự ISI có thể tránh bằng cách chọn khoảng bảo vệ TG > τmax ,
với τmax là trễ truyền lan lớn nhất được lấy từ dữ liệu đo kênh. Giả sử mỗi
sóng mang đều mang dữ liệu, tổng dung lượng kênh của hệ thống thủy âm
OFDM được tính như sau:
CSINR

TS
=
∆f
TS + TG

N −1

log2 (1 + SINR [fk ]) ,

[bits/s]

(3.4)

k=0

với β = TS / (TS + TG ) là hiệu quả phổ, TS và TG lần lượt là chiều dài ký
tự OFDM và chiều dài khoảng bảo vệ.
19


3.3. Kết quả

3.3.1. SIR và SINR
Các kết quả SIR và SINR được cho trên Hình 3.1 và 3.2 với SNR = 20 dB
tại máy thu và tần số sóng mang trung tâm fc = 12kHz. Cần chú ý rằng
SIR và SINR của mỗi sóng mang con là khác nhau, các kết quả trên là kết
quả trung bình trên tất cả các sóng mang.
40

20

35
15

25

SINR (dB)

SIR (dB)

30

20
15
N=64
N=128
N=256
N=512

10
5

10
N=64
N=128
N=256
N=512

5

0

0
2

4

6

8

10

12

14

2

Bandwidth (kHz)

4

6

8

10

12

14

Bandwidth (kHz)

Hình 3.1, 3.2: SIR và SINR trung bình theo băng thông và số lượng sóng
mang con khác nhau.

3.3.2. Dung lượng kênh
Hình 3.3 là tổng dung lượng kênh CSINR với băng thông và số lượng sóng
mang con khác nhau. Ta thấy, với một băng thông nhất định, dung lượng
kênh sẽ tăng khi số lượng sóng mang con N tăng. Tuy nhiên, cần lưu ý
rằng việc tăng số lượng sóng mang con cũng dẫn đến sự suy giảm tỷ số
SINR như Hình 3.2. Theo mối liên hệ trong (3.4), cần có sự cân nhắc giữa
dung lượng kênh và tỷ số SINR.
Số lượng sóng mang con
Do tần số sóng mang là fc = 12 kHz nên băng thông tín hiệu B sẽ chọn trong
khoảng quanh giá trị 12 kHz này. Hơn nữa, như kết quả trong Hình 3.3, với
băng thông nhỏ hơn 15 kHz, khi tăng số lượng sóng mang con lên N = 512,
dung lượng kênh không tăng so với trường hợp N = 256. Do đó, để đạt
20

70
N=64
N=128
N=256
N=512

Capacity (kbit/s)

60
50
40
30
20
10
0
0

5

10

15

Bandwidth (kHz)

Hình 3.3: Dung lượng hệ thống thủy âm OFDM với băng thông và số
sóng mang con khác nhau.
hiệu quả phổ hợp lý và hạn chế ảnh hưởng của nhiếu liên kênh ICI, số
lượng sóng mang cho hệ thống thủy âm trong trường hợp này nên chọn là

N = 256.
Băng thông tín hiệu

Capacity efficiency (bit/s/Hz)

5

4

3

2

1

0
0

5

10
Bandwidth (kHz)

15

Figure 3.4: Hiệu quả phổ theo băng thông với số lượng sóng mang con
N = 256 và SNR = 20 dB tại máy thu.
Để trả lời câu hỏi băng thông nào là lựa chọn tốt nhất nhằm đạt hiệu
quả phổ tối đa, ta khảo sát dung lượng CSINR /B theo băng thông B với số
21

40
35

Average SINR
Average SIR
Average SNR

30

(dB)

25
20
15
10
5
0
-5
65

70

75

80
85
90
95

100
Transmit power (dB re µPa)

105

110

Hình 3.9: Giá trị trung bình SIR, SINR và SNR theo công suất phát với
số sóng mang N = 256, và băng thông B = 10 kHz.
sóng mang con N = 256 và SNR = 20 dB tại máy thu. Như kết quả trong
Hình 3.4, băng thông tối ưu để đạt dung lượng kênh tối đa (4.5 bps/Hz)
nằm trong khoảng 8 kHz ÷ 10 kHz cho sóng mang fc = 12 kHz .

3.3.3. Công suất phát
Các kết quả SN, SIR và SINR theo công suất phát được cho trên Hình
3.9. Mức công suất phát hợp lý để đạt giá trị SNR = 25 dB tại máy thu là
95 dB re µP a. Nếu công suất phát lớn hơn giá trị này, chất lượng hệ thống
thủy âm đang xét không được cải thiện mà còn có thể gây nhiễu không cần
thiết.

22


KẾT LUẬN

A. Các đóng góp chính
Các đóng góp chính của luận án được tóm tắt như sau
1. Đề xuất một phương pháp mô hình kênh thủy âm dựa trên dữ liệu
đo. Ưu điểm chính của phương pháp này là tất cả hoặc một phần các
tham số của mô hình kênh được lấy trực tiếp từ dữ liệu đo mà không

cần áp dụng phương pháp tính toán tối ưu nào; vì vậy, độ phức tạp
trong tính toán giảm đi đáng kể. Đồng thời, các kết quả mô phỏng
cho thấy phương pháp đề xuất cho kết quả kênh mô phỏng có đặc
tính giống với kênh thủy âm đo đạc trong thực tế.
2. Đề xuất mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm nước nông. Mô
hình đề xuất được xác nhận tính đúng đắn thông qua dữ liệu đo phổ
Doppler thực tế của kênh thủy âm vùng nước nông. Các kết quả cho
thấy mô hình đề xuất phù hợp với dữ liệu đo thực tế.
3. Phân tích ảnh hưởng của nhiễu liên kênh ICI và nhiễu môi trường lên
hệ thống thông tin thủy âm dùng mô hình kênh mô phỏng dựa trên
dữ liệu đo. Dựa trên các kết quả phân tích, các thông số thích hợp
cho hệ thống thủy âm như số sóng mang con, băng thông tín hiệu và
công suất phát sẽ được chọn. Các kết quả này sẽ là những gợi ý để
thực hiện hệ thống thủy âm thực tế.
B. Hướng nghiên cứu trong tương lai
• Trong luận án đã đề xuất phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh
thủy âm hiệu quả trong tính toán. Với trường hợp có hiệu ứng Doppler
23