Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ ofdm

LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Quốc Khƣơng và PGS.TS. Hà Duyên Trung là Thầy giáo đã trực tiếp hƣớng dẫn khoa học và hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi có thể hoàn 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. Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh-Hiệu trƣởng Trƣờng Điện-Điện tử, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi tôi đƣợc học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình. Tôi xin cảm ơn Phòng Đào tạo Đại học, các Thầy cô đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm Nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tôi xin dành những lời cám ơn trân trọng đến gia đình tôi. Sự động viên, giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tôi vƣợt 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 Hƣng ii 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 TƢỢNG NGHIÊN CỨU .............................................................................................. 4 5. PHƢƠNG 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 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ................ 9 1.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG……………………………………………………………. ... 9 1.2. ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ............................................. 9 1.3. HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC .............................................................. 9 1.3.1. Các thông số chủ yếu của môi trƣờng thủy âm…………………………........ 9 1.3.2. Tính đa đƣờng trong lan truyền sóng âm ......................................................... 10 1.3.3. Suy hao trong môi trƣờng nƣớc ........................................................................ 10 1.3.4. Nhiễu môi trƣờng ............................................................................................. 10 1.3.5. Hiệu ứng Doppler ............................................................................................. 10 1.3.6. Nhận xét............................................................................................................ 12 1.4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MÔI TRƢỜNG DƢỚI NƢỚC ..................................................................................................................... 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 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KHÁC TƢƠNG ĐƢƠNG KỸ THUẬT OFDM ......... 22 iii 1.5.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 22 1.5.2. Mô 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 CHƢƠNG.................................................................................................. 28 CHƢƠNG 2 ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ............................................................................................................ 29 2.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG ................................................................................................ 29 2.2. ĐỒNG BỘ THỜI GIAN ................................................................................................ 29 2.2.1. Khái niệm ........................................................................................................ 29 2.2.2. Một số phƣơng 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 CHƢƠNG .................................................................................................. 43 CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLE CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ............................................................ 44 3.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG.......................................................................................... 44 3.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƢỢNG DOPPLER…………………………………………...44 3.2.1. Mô hình tín hiệu ............................................................................................... 44 3.2.2. Đồng bộ thô tần số ............................................................................................ 45 3.2.3. Kiểm soát bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đƣờng liên tục kết hợp giám sát công suất trễ ................................................................................................. 46 3.2.4. Bù dịch tần Doppler......................................................................................... 48 3.3. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG 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 đƣợc .............................................................................................. 59 3.3.5. Nhận xét ............................................................................................................ 60 3.4. PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER SỬ DỤNG TÍN HIỆU SÓNG MANG DẪN ĐƢỜNG (CARRIER FREQUENCY PILOT- CFP) .............................................................................. 60 iv 3.4.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 60 3.4.2. Mô tả hệ thống .................................................................................................. 61 3.4.3. Mô tả chi tiết phƣơng pháp thực hiện............................................................... 66 3.5. PHƢƠNG 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 phƣơng pháp thực hiện............................................................... 71 3.5.5. Thực nghiệm và kết quả ................................................................................... 73 3.5.6. Nhận xét ............................................................................................................ 76 3.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG.................................................................................................. 76 CHƢƠNG 4 TRUYỀN THÔNG DƢỚI NƢỚC SỬ DỤNG MÔ HÌNH SISO ( ANTEN PHÁT-1 ANTEN THU) KẾT HỢP ĐẶC TÍNH PHÂN TẬP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN CỦA HỆ THỐNG MIMO ............................................................ 78 4.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG ................................................................................................ 78 4.2. MÔ 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 LƢỢNG HỆ THỐNG MIMO ............................................................................. 82 4.5. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN CHO TRUYỀN THÔNG DƢỚI NƢỚC 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 không 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 CHƢƠNG ................................................................................................. 93 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................. 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO CỦA LUẬN ÁN .................................................................. 97 v 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 không trực giao ...................................................................... 16 Hình 1.6. Ảnh hƣởng 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. Mô hình chèn pilot ...................................................................................................... 25 Hình 1.12. Kết quả mô phỏng và lý thuyết trong trƣờng 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 vƣợt ngƣỡng ............................. 26 Hình 1.14. So sánh kết quả mô phỏng .......................................................................................... 26 Hình 1.15. a. Chòm sao OFDMA thu đƣợc SER=0.048 ............................................................ 27 Hình 2.1. Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM………………………………………………………….30 Hình 2.2. Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phƣơng pháp Schmidl .................................... 30 Hình 2.3. Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phƣơng 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 toán 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 đƣợc trên hệ thống tại Hồ Tiền .................................................... 40 Hình 2.9. Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu đƣợc ........................... 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 phƣơng pháp .......................................................................... 42 Hình 2.12. Chòm sao tín hiệu thu đƣợc sau giải mã của 2 phƣơng pháp .................................... 42 Hình 3.1. Cấu trúc khung dữ liệu .................................................................................................. 46 Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đƣờng liên tục .......................................................................................... 47 Hình 3.3. Hiện tƣợng dịch chuyển phổ công suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian ..................... 48 Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống thu – phát ............................................................................................. 51 vi 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). Chòm sao tín hiệu thu (b).Chòm sao xoay lại bằng thuật toán 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. Chòm 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 công suất trung bình tín hiệu ............................................................................... 65 Hình 3.15. Mô hình hệ thống giải mã trực tiếp ............................................................................. 69 Hình 3.16. Mô hình thực nghiệm .................................................................................................. 73 Hình 3.17. a. Tín hiệu OFDM thu đƣợc 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 tƣơng đối giữa bên phát và bên thu ...................................................................................................................................... 73 Hình 3.19. So sánh SER của phƣơng pháp giải mã trực tiếp và giải mã 2 bƣớc .......................... 76 Hình 4.1. Mô hình hệ thống MIMO .............................................................................................. 78 Hình 4.2. Từ mã đƣợc phát có xen và không xen ........................................................................ 80 Hình 4.3. Các loại phân tập không gian ...................................................................................... 81 Hình 4.4. Mỗi khung tín hiệu đƣợc phát lặp N lần ...................................................................... 84 Hình 4.5: Hệ thống 1 anten phát nhiều anten thu (SIMO) ........................................................... 84 Hình 4.6. Lƣu đồ thuật toán giải mã N khung tín hiệu ................................................................. 86 Hình 4.7. Độ hội tụ các điểm tín hiệu của chòm 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 trƣờng hợp ................................................................................................. 88 Hình 4.10. Mô 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 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Các thông số của hệ thống truyền tin dƣới nƣớc ............................................................... 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 thông 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 viii 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 tƣơng 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 vòng DAC Digital to Analog Converter Mạch chuyển đổi số- tƣơng 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 ngƣợc IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi nhanh Fourier ngƣợc 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 vuông 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 ix Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PDF 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 đƣờng PSK Phase Shift Keying Điều chế số khóa dịch pha QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa pha cầu phƣơng 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 x 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 N FFT Độ dài biến đổi Fourier M(n) Trung bình giá trị tƣơng quan trên độ dài một khoảng CP CNi Tổ hợp chập N của i phần tử ri Độ lợi đƣờng truyền i Độ trễ RPB (t ) Tín hiệu thông dải RBB (t ) Tín hiệu băng tần cơ sở H(m, n) Hàm truyền đạt ƣớc lƣợng của kênh cho sóng mang phụ thứ m và cho ký tự thứ n I ICI Ma trận khử nhiễu liên kênh TGI Chiều dài khoảng bảo vệ fˆR Độ dịch tần gây bởi hiện tƣợng 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 không của tín hiệu f Độ lệch tần số lấy mẫu fs Tần số lấy mẫu f rs Tần số tái lấy mẫu P(i) Sai lệch giữa hai mẫu tín hiệu trong 2 cửa sổ R(i) Tập giá trị tƣơng quan của liên hợp phức giữa 2 cửa sổ tín hiệu Mức biên độ của CFP Ac xi 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 xii LỜI MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu đề tài Trong một vài năm trở lại đây, thông tin dƣới nƣớc đang đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực nhƣ: thám hiểm đại dƣơng, quan trắc địa hình dƣới biển, vận hành và truyền thông tin giữa các tầu ngầm và đặc biệt có vai trò quan trọng trông lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng. Cụ thể, Việt Nam có hàng nghìn km bờ biển với vùng hải phận biển Đông vô cùng rộng lớn. Do vậy, thông tin dƣới nƣớc đang trở thành một trong những lĩnh vực đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay [9,10]. Trong môi trƣờng dƣới nƣớc, do đặc tính môi trƣờng 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 nhƣ khoảng cách truyền dẫn. So với tín hiệu sóng điện từ, tín hiệu sóng âm có những ƣu điểm vƣợt trội vì âm thanh ít bị suy hao trong môi trƣờng nƣớc. Vì vậy, việc sử dụng sóng âm để truyền thông tin dƣới nƣớc là một phƣơng pháp ƣu tiên hàng đầu kết hợp với các công nghệ tiên tiến sẽ đạt hiệu quả cao [15,16]. Tuy nhiên trong môi trƣờng dƣới nƣớc, sóng âm bị ảnh hƣởng của sự biến đổi nhiệt độ, các loại nhiễu và truyền dẫn đa đƣờng do sự phản xạ và tán xạ [12-16], tốc độ truyền dẫn của sóng âm dƣới nƣớc 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 hƣởng của dịch tần Doppler đến tín hiệu thu cũng lớn hơn khi so sánh với việc truyền sóng vô tuyến [9,10,11]. Những đặc tính đó đã làm cho kênh truyền dƣới nƣớc khác hẳn so với kênh truyền sử dụng sóng điện từ. Có nhiều kỹ thuật truyền thông đƣợc sử dụng để truyền thông tin dƣới nƣớc nhƣ 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 ƣu điểm là hiệu quả sử dụng phổ cao nên phù hợp với băng thông hạn hẹp của kênh truyền dƣới nƣớc, ngoài ra OFDM có khả năng chống giao thoa đa đƣờng tốt. Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên cứu vào việc sử dụng kỹ thuật OFDM cho truyền thông dƣới nƣớc. 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 trƣờng nhiễu cao nhƣ ở dƣới nƣớc là một trong những vấn đề 1 công nghệ quan trọng cần giải quyết. Thêm vào đó, khi có dịch chuyển tƣơng 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 hƣởng lớn đến chất lƣợng tín hiệu thu [24-28]. Có thể thấy rằng hệ thống thông tin dƣới nƣớc chịu nhiều ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng, suy hao do khoảng cách, nhiễu, di chuyển… nên chất lƣợng của tín hiệu thu đƣợc thƣờng rất thấp do tỷ lệ SNR nhỏ nên tỷ lệ lỗi SER thƣờng khá cao [15-17]. Việc nghiên cứu ra các biện pháp để nâng cao chất lƣợng tín hiệu là rất cần thiết. Vì vậy, trong chƣơng 4 của luận án sẽ đƣa ra các đề xuất tận dụng ngay các yếu tố bất lợi của việc truyền thông nhƣ sự chuyển động tƣơng đối giữa phát và thu hay chuyển động của sóng gió mặt nƣớc để tạo lập hệ thống truyền thông tận dụng tính phân tập không gian- thời gian của tín hiệu thu đƣợc tƣơng đƣơng với hệ thống nhiều anten thu- phát (MIMO) để cải thiện chất lƣợng 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 môi trƣờng dƣới nƣớc. - Thứ hai là nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và đƣa ra các đề xuất mới để bù dịch tần Doppler cho hệ thống thông tin dƣới nƣớc sử dụng kỹ thuật OFDM. - Thứ ba là tìm ra các phƣơng pháp để cải thiện chất lƣợng tín hiệu thủy âm qua việc ứng dụng đặc tính phân tập không gian-thời gian để hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu – phát mà có khả năng nhƣ một hệ thống gồm nhiều anten (MIMO). 2. Những vấn đề còn tồn tại Vấn đề : Có nhiều phƣơng pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, nhƣng chủ yếu là sử dụng những chuỗi tín hiệu đặc biệt để gắn vào đầu hoặc cuối mỗi khung tín hiệu, nhƣ phƣơng pháp Schmidl, phƣơng pháp Park, phƣơng pháp Minn và phƣơng pháp Seung. Những phƣơng pháp này đƣợc đề cập trong [20,21] không phù hợp với tiêu chí truyền tin của thông tin dƣới nƣớc do hệ thống cần phải tiết kiệm băng thông. Ngoài ra do đặc điểm của sóng âm [14] khác với sóng vô tuyến nên việc áp dụng các phƣơng pháp trên cho truyền tín hiệu dƣới nƣớc sẽ đạt hiệu quả không cao. 2 Vấn đề 2: Việc truyền tin dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và thu cũng gây ra lƣợng dịch tần Doppler lớn ảnh hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu OFDM. Có nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dƣới nƣớc sử dụng công nghệ OFDM nhƣ ở trong [18,25]. Đặc điểm chung của các phƣơng pháp đó là việc tính toán độ dịch tần số Doppler thƣờng đƣợc thực hiện sau khi đồng bộ. Thực tế, trong trƣờng hợp độ dịch tần Doppler lớn kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc 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 thƣờng không chính xác. Vấn đề 3: Các phƣơng 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 nhƣ các phƣơng pháp [26, 27] đều phải sử dụng 2 bƣớc để bù dịch tần Doppler đó là: đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Ở bƣớc đồng bộ thô, tần số Doppler sẽ đƣợc tính toán gần đúng và làm tròn thành số nguyên. Ở bƣớc đồng bộ tinh, các phƣơng pháp đó sẽ sử dụng thuật toán để tính toán chính xác tần số Doppler và sử dụng ma trận ICI để khử nhiễu liên kênh trƣớc khi giải mã tín hiệu bên thu. Việc sử dụng 2 bƣớc tính toán nhƣ vậy sẽ phức tạp và không thích ứng đƣợc khi tần số Doppler biến đổi nhanh. Vấn đề 4: Do đặc điểm kênh truyền dƣới nƣớc chịu tác động của nhiều yếu tố nhƣ nhiễu, dịch tần Doppler, nên tín hiệu giải thu đƣợc thƣờng bị sai và có chất lƣợng rất thấp, có tỷ lệ lỗi tín hiệu SER cao [15-17]. Thông thƣờng trong các hệ thống vô tuyến thì để nâng cao chất lƣợng tín hiệu thu, ngƣời ta sẽ sử dụng nhiều anten thu nhằm tận dụng tính phân tập không 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 môi trƣờng dƣới nƣớc. Do vậy, việc tìm ra một giải pháp sử dụng hệ thống một thu - một phát (SISO) nhƣng lại có có thể ứng dụng đƣợc các đặc tính của hệ thống MIMO đó là tận dụng đƣợc tính phân tập không 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 môi trƣờng truyền tin dƣới nƣớc 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. 3 Cho hiệu quả đồng bộ và chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc tốt hơn các phƣơng pháp phổ biến. Nghiên cứu phƣơng pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với các ƣu điểm so với các phƣơng pháp hiện có: Việc tính độ dịch tần Doppler đƣợc thực hiện trƣớc 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 đƣợc băng thông đồng thời xử lý dễ dàng hơn. Xác định đƣợc gần chính xác tần số Doppler ngay từ bƣớc đồng bộ thô nên ở bƣớc đồng bộ tinh chỉ cần sử dụng thuật toán xoay pha đơn giản. Đề xuất một phƣơng pháp bù dịch tần Doppler hoàn toàn mới, sử dụng một tần số sóng mang tín hiệu dẫn đƣờng (Carrier Frequency Pilot-CFP) để tính toán và bù dịch tần Doppler với các tiêu chí: Không sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt để gắn thêm vào nên tiết kiệm băng thông so với các phƣơng pháp khác. Sử dụng 2 bƣớc đồng bộ thô và đồng bộ tinh để tính toán và xác định độ dịch tần Doppler. Nghiên cứu cải tiến và đƣa ra phƣơng pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler với các tiêu chí: Không sử dụng chuỗi ký tự gắn thêm vào (preamble) mà chỉ sử dụng CFP nên tiết kiệm đƣợc băng thông so với cá phƣơng pháp khác. Ở phần giải mã chỉ sử dụng một bƣớc duy nhất để tính độ dịch tần Doppler nên sẽ cho thời gian tính toán nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh của hệ thống. Đề xuất mô hình hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn ứng dụng đƣợc đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO với các tiêu chí sau: Hệ thống đơn giản, nhỏ gọn dễ di chuyển trong môi trƣờng nƣớc. Cải thiện chất lƣợng tín hiệu sau khi giải mã. 4. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu mô hình truyền thông tin dƣới nƣớc 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 toán xoay pha tín hiệu. 4 Thuật toán bù dịch tần sử dụng sóng mang dẫn đƣờng CFP (Carrier Frequency Pilot) và ứng dụng kỹ thuật giải mã trực tiếp (Direct Decoder) kết hợp CFP cho hệ thống OFDM truyền thông dƣới nƣớc. Đƣa ra giải pháp hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn tận dụng đƣợc đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO để cải thiện chất lƣợng tín hiệu. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và làm thực nghiệm, từ các kết quả thực nghiệm đƣa ra các đề xuất mới phù hợp thực tế. Nghiên cứu các thuật toán xử lý tín hiệu sóng âm truyền dƣới nƣớc. Thu thập dữ liệu của hệ thống thông tin dƣới nƣớc 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 phòng Lab Wicom. 6. Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án Nghiên cứu thực hiện chủ yếu ở môi trƣờng nƣớc nông có độ sâu không quá 50m. Các kết quả nghiên cứu đƣợc thu thập từ thực nghiệm nên khác với các kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng sử dụng mô 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 đƣợc gắn cố định hoặc bên thu là điểm cố định và bên phát chuyển động tƣơng 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 dƣới nƣớc 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 phƣơng pháp đồng bộ tín hiệu, tối ƣu hóa băng thông cho thông tin dƣới nƣớc, truyền thông tin với sự biến đổi nhanh của tần số Doppler. 5  Nội dung trình bày trong Chƣơng 3 của luận án đƣợc 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 phƣơng pháp khả thi và có khả năng ứng dụng trong thực tế để phát triển thuật toán tối ƣu, thuật toán đồng bộ tín hiệu, thuật toán bù dịch tần Doppler, nâng cao chất lƣợng tín hiệu trong thông tin dƣới nƣớc.  Ngoài ra các kết quả này cũng có thể đƣợc ứng dụng để các nhà sản xuất trong nƣớc có thể thiết kế các hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc, 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 nhƣ sau: Đề xuất thuật toán về đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi bảo vệ GI cho hệ thống OFDM dƣới nƣớc. Đề xuất phƣơng 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 phƣơng pháp bù dịch tần Doppler không sử dụng các ký tự đặc biệt mà dùng tần số sóng mang CFP (Nội dung này đƣợc cấp Bằng sáng chế của Cục sở hữu trí tuệBộ Khoa học và Công nghệ).Cuối cùng, tác giả đƣa ra phƣơng pháp mới về giải mã trực tiếp sử dụng CFP để bù dịch tần Doppler cho hệ thống dƣới nƣớc. Cải thiện chất lƣợng tín hiệu thủy âm sử dụng đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO. Phƣơng pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một cặp anten thu-phát (SISO), tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào chất lƣợng kênh truyền. Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời điểm khác nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian và sự dịch chuyển tƣơng đối giữa bên phát và bên thu tạo nên sự phân tập về không gian cho hệ thống. Đề xuất thuật toán lựa chọn tín hiệu thu sử dụng thuật toán giải mã tối ƣu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận đƣợc nhằm tối ƣu hóa quá trình giải mã tín hiệu và tăng hiệu quả của quá trình truyền tin. 6 9. Bố cục của luận án Nội dung của luận án chia làm 4 chƣơng: Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống thông tin dƣới nƣớc Chƣơng này gồm 2 phần: Trình bày các đặc tính của hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc Ứng dụng kỹ thuật OFDM cho hệ thống thủy âm và so sánh ƣu nhƣợc điểm của hệ thống OFDMA và SC-FDMA. Chƣơng 2. Đồng bộ tín hiệu cho hệ thống OFDM Chƣơng này gồm 2 phần: Trình bày các phƣơng pháp đồng bộ thời gian cho hệ thống OFDM. Đề xuất phƣơng pháp đồng bộ thời gian mới chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI kết hợp với thuật toán xác định vị trí khoảng bảo vệ. Chƣơng 3. Phƣơng pháp bù dịch tần Doppler Chƣơng này gồm 3 phần: Đề xuất bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với kết quả có nhiều ƣu điểm so với các phƣơng pháp hiện nay. Đề xuất phƣơng pháp hoàn toàn mới, không sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt mà chỉ sử dụng tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng CFP để tính toán và bù dịch tần Doppler qua 2 bƣớc đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine synchronization). Nghiên cứu cải tiến và đƣa ra phƣơng pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Dopple chỉ sử dụng một bƣớc đồng bộ duy nhất. Chƣơng 4. Truyền thông dƣới nƣớc sử dụng mô hình SISO (1 anten phát-1 anten thu) kết hợp đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO Chƣơng 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 dƣới nƣớc chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát. Kỹ thuật đề xuất đặc biệt hiệu quả đối với trƣờng hợp có sự dịch tần Doppler của tín hiệu thu đƣợc nghĩa là có sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và bên thu. Phƣơng pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một cặp anten thu-phát, tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào chất lƣợng kênh truyền. Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời 7 điểm khác nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian. Do có sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và thu nên cùng một tín hiệu truyền đi sẽ đƣợc thực hiện ở hai vị trí khác nhau điều này tạo nên tính phân tập trong không gian tín hiệu. Dựa trên đặc tính phân tập này của tín hiệu, luận án đề xuất một phƣơng pháp lựa chọn và giải mã tín hiệu gần với tối ƣu. Phƣơng pháp đề xuất ƣu việt hơn so với kỹ thuật MRC thông thƣờng và tiết kiệm thời gian giải mã tín hiệu để phù hợp với việc truyền thông tin thời gian thực. 8 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC 1.1. Giới thiệu chƣơng Hệ thống thông tin dƣới nƣớc [6,8] đã đƣợc nghiên cứu từ rất nhiều thập kỉ trƣớc trên thế giới. Cùng với các hệ thống truyền thông trên mặt đất, hệ thống thông tin dƣới nƣớc ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống. Tuy nhiên, do những tính chất của môi trƣờng nên hệ thống thông tin thủy âm có nhiều điểm khác biệt với hệ thống thông tin thông thƣờng sử dụng sóng vô tuyến trên mặt đất. Chƣơng 1 trình bày về các đặc điểm của sóng âm - loại sóng đƣợc sử dụng trong truyền thông tin dƣới nƣớc, và các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống, qua đó giúp ta có đƣợc cái nhìn tổng quan về hệ thống. 1.2. Đặc điểm hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc Hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc mà đặc biệt là truyền nƣớc nông mà luận án tập trung nghiên cứu có những đặc tính khác biệt so với hệ thống truyền thông tin trên cạn. Cụ thể đó là trong môi trƣờng nƣớc có rất nhiều các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình truyền thông tin đó là yếu tố thuộc đặc tính môi trƣờng nƣớc, địa hình bề mặt đáy, tính đa đƣờng, 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 lƣợng tín hiệu là mục tiêu của luận án. 1.3. Hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc Phần này sẽ trình bày về những yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình truyền sóng âm dƣới nƣớc. Các yếu tố này bao gồm: các yếu tố về môi trƣờng, tính đa đƣờng, suy hao, nhiễu môi trƣờng, hiệu ứng Doppler,… [9, 10, 11]. 1.3.1. Các thông số chủ yếu của môi trƣờng thủy âm Bảng 1. Các thông số của hệ thống truyền tin dƣới nƣớc [10,11,12] Tốc độ truyền Suy hao năng lƣợng Sóng âm Sóng vô 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 9 Phụ thuộc vào độ đục của nƣớc