Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức trong hệ thống thông tin thủy âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Trung Tiến NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN THỦY ÂM Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Văn Đức Hà Nội – Năm 2014 LỜI NĨI ĐẦU *** Tần số sóng vơ tuyến tài nguyên hữu hạn vô quý giá quản lý quan viễn thơng phủ mà hệ thống vơ tuyến muốn sử dụng tần số cần phải đăng kí với quan Ngày nay, với phát triển khoa học kĩ thuật nói chung lĩnh vực điện tử-viễn thơng nói riêng, dải tần số dần trở nên chật hẹp gia tăng số lượng hệ thống vô tuyến FM, AM, TV, Mobile network, Wifi, Wimax… Điều nghịch lí chỗ phổ tần số ngày chật hẹp hiệu suất sử dụng tài nguyên tần số lại thấp Theo thống kê Hội đồng viễn thơng liên bang Mĩ (FCC) hiệu suất sử dụng tài nguyên phổ tần số vào khoảng 15% đến 85% Hiệu suất thay đổi dựa vào đặc điểm hệ thống mạng viễn thông vùng địa lí (mạng dày đặc hay thưa thớt) thời điểm sử dụng (giờ cao điểm hay bình thường) Chính hệ thống vô tuyến tiên tiến tương lai cần khắc phục nhược điểm này, tận dụng tốt hiệu sử dụng tần số Cognitive radio công nghệ đầy hứa hẹn cho phát triển viễn thơng tương lai tính linh hoạt thơng minh đáp ứng yêu cầu sử dụng hiệu tần số cao Đặc biệt nữa, Trong năm gần đây, thông tin liên lạc nước sử dụng rộng rãi cho nhiểu mục đích khác thám hiểm tài nguyên biển, vận hành phương tiện biển tự động quân Với bờ biển dài 3000km thềm lục địa rộng lớn, nhu cầu thông tin liên lạc nước Việt Nam ngày trở nên cần thiết Tuy nhiên, khác biệt đặc tính mơi trường khơng khí tự môi trường biển nên công nghệ sử dụng cho thơng tin vơ tuyến thời khó áp dụng cho việc thơng tin nước Xuất phát từ nhu cầu thực tế khn khổ đồ án này, tơi xin trình bày nghiên cứu công nghệ Cognitive radio ứng dụng cho kênh truyền thông tin liên lạc nước Matlab Sau cố gắng nỗ lực học hỏi, nghiên cứu, luận văn đã thu kết bước đầu … Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Đức đã tận tình bảo giúp đỡ tơi suốt thời gian hồn thành luận văn Với thời gian kiến thức hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi tồn nhiều thiếu sót Tơi mong nhận bảo, góp ý thầy cô bạn để phát triển đề tài tốt Hà nội, tháng 9/2014 TÓM TẮT ĐỒ ÁN *** Đồ án đề cập đến vấn đề nghiên cứu ứng dụng công nghệ nhận thức vô tuyến hệ thống thông tin thủy âm Nội dung đồ án bao gồm phần :  Giới thiệu chung  Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin nước Tổng quan mạng hệ thống thơng tin nước, loại sóng truyền dẫn nước yếu tố ảnh hưởng tới hệ thống  Chương 2: Giới thiệu công nghệ Software Defined Radio Cognitive Radio Trình bày chi tiết cơng nghệ giúp thực công việc hệ thống phần mềm hiệu đảm bảo có nhận thức thông minh truyền dẫn  Chương 3: Kênh truyền nước Trình bày yếu tố ảnh hưởng tới q trình truyền nhận sóng âm nước  Chương 4: Xây dựng hệ thống Mô tả chi tiết công việc đã triển khai  Chương 5: Kết mơ hệ thống Trình bày kết đã đạt  Kết luận hướng phát triển ABSTRACT *** The thesis focus on Cognitive for underwater The thesis is organized into sections:  Introduction  Chapter 1: Overview of information system underwater Overview of network information system underwater, the underwater wave transmission and factors affecting system  Chapter 2: Introduction to Software Defined Radio Technology and Cognitive Radio Details about the implementation of technology to help the work of software systems and ensure effective realization of smart transmission  Chapter 3: Water Channel Presented factors affecting the transmission of sound waves underwater  Chapter 4: Building the system A detailed description of the work carried out  Chapter 5: Results of the simulation system Presentation of the results achieved  Conclusions and developments MỤC LỤC *** LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 14 GIỚI THIỆU CHUNG 16 Mục đích thiết kế 16 Phương pháp thực đồ án 16 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 17 Giới thiệu chương 17 1.1 Vai trị hệ thống thơng tin nước 17 1.2 Các lý thuyết áp dụng 18 1.2.1 Vận tốc sóng âm nước 18 1.2.2 Sóng âm 22 1.3 Những thông số ảnh hưởng tới kênh thông tin nước 22 1.4 Kết chương 24 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SOFTWARE DEFINED RADIO VÀ COGNITIVE RADIO 25 Giới thiệu chương 25 2.1 Software defined radio 25 2.1.1 Giới thiệu chung 25 2.1.2 Định nghĩa 25 2.2 Cognitive Radio (CR) 27 2.2.1 Giới thiệu 27 2.2.2 Định nghĩa 28 2.2.3 Kiến trúc vật lí 29 2.2.4 Sự phát triển Cognitive Radio (CR) 32 2.2.5 Các chức CR 35 2.2.6 Cảm biến phổ (spectrum sensing) 37 Kết chương 42 CHƯƠNG KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC 43 Giới thiệu chương 43 3.1 Suy hao môi trường nước 43 3.1.1 Suy hao trải hình học 44 3.1.2 Suy hao hấp thụ 46 3.1.3 Sự suy giảm âm chất lắng cặn 54 3.1.4 Hệ số phản xạ hệ số truyền 56 3.1.5 Hệ số phản xạ, khúc xạ có hấp thụ mơi trường truyền dẫn 58 3.1.6 Tán xạ bề mặt tán xạ đáy 61 3.2 Nhiễu môi trường 61 3.3 Đánh giá tỉ số SNR – Tần số tối ưu 64 3.4 Đánh giá băng thông, tỉ số C/B 66 3.5 Lan truyền sóng âm mơi trường nước 70 3.5.1 Phương trình sóng q trình truyền sóng âm 70 3.5.2 Phương trình Helmholtz 75 3.5.3 Lan truyền sóng âm ống dẫn sóng đồng 76 3.5.4 Tính đa đường lan truyền sóng âm 77 3.5.5 Phương pháp ảnh gương 78 3.5.6 Góc hợp tia tới tia phản xạ 80 3.6 Hiệu ứng Doppler 81 Kết chương 83 CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG 84 Giới thiệu chương 84 4.1 Mơ hình kênh truyền dẫn 84 4.1.1 Kênh truyền nước 84 4.1.2 Khảo sát kênh truyền nước 85 4.1.3 Mô hàm truyền đạt kênh truyền dẫn nước 87 4.2 Công nghệ nhận thức thông minh 93 4.2.1 Hệ thống nhận thức thông minh 93 4.2.2 Hệ thống nhận thức thông minh áp dụng với kênh truyền dẫn nước 98 Kết chương 100 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN 101 Giới thiệu chương 101 5.1 Kênh truyền dẫn 101 5.2 Hệ thống nhận thức thông minh thủy âm 102 5.2.1 Phỏng tạo nhiễu màu 102 5.2.2 Tính chất đa đường tín hiệu tới 103 5.2.3 Đặc tuyến BER 108 5.2.4 Mô phân bố sóng mang dựa CR cho kênh nước 117 Kết chương 120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 DANH MỤC HÌNH VẼ *** Hình 1-1 Hệ thống thơng tin nước sử dụng sóng âm 18 Hình 1-2 Sự phụ thuộc vận tốc sóng âm vào nhiệt độ độ sâu (S=35ppt) 19 Hình 1-3 Tốc độ âm phụ thuộc vào nhiệt độ độ sâu (S=33ppt) 20 Hình 1-4 Sự phụ thuộc tốc độ âm vào độ mặn nước 21 Hình 1-5 Lan truyền sóng âm mơi trường vật chất [1] 22 Hình 1-6 Sự phụ thuộc nhiệt độ theo độ sâu nước biển [2] 23 Hình 1-7 Sự thay đổi độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic) [2] 24 Hình 2-1 Hiệu suất sử dụng phổ tần số[7] 28 Hình 2-2 Cấu trúc SDR[8] 29 Hình 2-3 RF Fron-End[8] 30 Hình 2-4 Sự phát triển Cognitive Radio (CR) 32 Hình 2-5 Kiến trúc mạng xG [8] 34 Hình 2-6 Chu trình cognitive 37 Hình 2-7 Cảm biến tìm phổ trống[7] 38 Hình 2-8 Sơ đồ khối Spectrum Sensing[8] 40 Hình 2-9 Sơ đồ cảm biến miền thời gian[5] 41 Hình 2-10 Sơ đồ cảm biến miền tần số[5] 42 Hình 5-13 Tỉ lệ lỡi bit theo SNR với đáy bt=0 và bt=7 Từ Hình 5-14, ta nhân thấy với mơi trường có đáy phản xạ bt=7, thành phần phản xạ có biên độ nhỏ sơ với trường hợp đáy có hệ số phản xạ bt=0., ảnh hưởng thành phản xạ nhỏ Do vậy, tỉ lệ lỗi bit trường hợp bt=7 nhỏ tỉ lệ lỗi bit bt=0 5.2.3.2 Đặc tuyến BER với tần số khách nhau, SNR cố định - Nhiệt độ: 14oC; pH=8; Vận tốc gió: 10m/s  Khoảng cách máy thu phát 1000m, 110 Hình 5-15 Tỉ lệ BER của hệ thống hoạt động tại các tần số khác với khoảng cách máy thu và máy phát là 1000m  Khoảng cách máy thu phát 400m Hình 5-16 Tỉ lệ BER của hệ thống hoạt động tại các tần số khác với khoảng cách máy thu và máy phát là 400m  Với khoảng cách 200m 111 Hình 5-17 Tỉ lệ BER của hệ thống hoạt động tại các tần số khác với khoảng cách máy thu và máy phát là 200m Từ Hình: Hình 5-18, Hình 5-19, Hình 5-20 ta nhận thấy rằng, tỉ lệ bit lỗi kênh truyền chạy với tần số khác khác Ứng với khoảng cách, có tần số mà tỉ lệ lỗi bit nhỏ Hình 5-21 Mơ hình thử nghiệm thu phát nước 112 Hình 5-22 Hệ số giá trị của thiết bị transducer Hình 5-23 Hệ số giá trị của mơi trường khảo sát Hình 5-24 Chỉ số PDP với khoảng cách 100m 113 Hình 5-25 Chỉ số PDP với khoảng cách 1000m Hình 5-26 Hàm tự tương quan tần số mô phỏng tham khảo 114 Hình 5-27 Hàm tự tương quan thời gian giữa mơ phỏng tham khảo Hình 5-28 Thơng lượng của hàm truyền 115 Hình 5-29 Chỉ số SER với điều chế QPSK cho d=100m 1000m Hình 5-30 SINR theo mơ phỏng lý thuyết 116 Hình 5-31 Chỉ số SER với các phương pháp điều chế khác Hình 5-32 Thông lượng truyền dẫn cới user nhiều users 5.2.4 Mơ phân bố sóng mang dựa CR cho kênh nước Dựa vào việc phân chia sóng mang PU CR cơng nghệ nhận diện thơng minh tương thích với mơ hình kênh truyền nước mơ hình kênh sử dụng có nhiễu màu 117 Hình 5-33 Phân bố sóng mang với trường hợp f= 5Hz Hình 5-34 Phân bố sóng mang với trường hợp f= 10Hz 118 Hình 5-35 Phân bố sóng mang với trường hợp f= 20Hz Hình 5-36 Phân bố sóng mang với trường hợp f= 25Hz 119 Hình 5-37 Phân bố sóng mang với trường hợp f= 40Hz Hình từ 5-27 tới 5-31 mơ tả việc phân chia sóng dựa nhận thức thông minh, với mốc dịch băng thông, 5, 10, 20, 25, 40 Hz Bằng phương pháp water-filling Kết chương Dựa kết mô khảo sát vấn đề liên quan tới nhiễu màu kênh truyền nước, khảo sát tính đa đường ảnh hưởng môi trường nước với kênh truyền dẫn đồng thời vào tiến hệ thống nhận thức vơ tuyến thơng minh có cách phân chia mức lượng hợp lý 120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau trình học tập, nghiên cứu, với hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy cơ, tác giả đã tìm hiểu nhiều thông tin hệ thống thủy âm, mô hình kênh truyền, Tác giả đã hồn thành luận văn với số đóng góp sau: - Phương pháp nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin thủy âm - Xây dựng hệ thống mơi trường khảo sát đặc tính kênh truyền nước với mơ hình kênh nhiễu màu - Áp dụng nghiên cứu hệ thống nhận thức thông minh phân bố phổ lượng hợp lý với hệ thống kênh truyền nước Tuy đóng góp tác giả chưa nhiều cũng đã giúp tác giả thu nhiều kiến thứ quý giá kết bước đầu để tiến đến tìm hiểu, nghiên cứu sâu ứng dụng hệ thống nhận thức thông minh cho hệ thống truyền dẫn thủy âm Hướng phát triển đề tài, trình nghiên cứu thời gian còn tương đối hạn hẹp nhiều thách thức cũng hội phát triển cho hệ thống nhận thức thông minh với thủy âm - Hiện khảo sát hệ thống mode SISO, định hướng mở rộng phát triển cho MIMO sau - Việc phân bố quản lý phổ lượng thực lớp MAC - Khảo sát phát triển hệ thống mức độ hệ sinh thái với tất băng tần làm thay đổi giới hạn hệ thống UCAN Tác giả xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình PGS.TS Nguyễn Văn Đức, thầy cô khoa Điện tử-Viễn thông bạn đã bảo giúp đỡ đóng góp ý kiến giúp tác giả hồn thành luận văn 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO *** [1] Nguyễn Văn Đức, (2006) “Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM”,NXB Khoa học kỹ thuật [2] Anuj Sehgal, Analysis & Simulation of the Deep Sea Acoustic Channel for Sensor Network Bremen, Jacobs University Bremen, 2009 [3] H.G Urban, Handbook of Underwater Acoustic Engineerin Bremen, STN Atlas Elektronik GmbH, 2002 [4] Kalangi Pullarao Prasanth, Modelling and Simulation of an Underwater Acoustic Communication Channel Hochschule Bremen University of applied sciences, 2009 [5] I.Vasilescu et al.: Data Collection, Storage, and Retrieval with an Underwater Sensor Network Proceedings of ACM Sensys 2005, pp 154-165, November 2005 [6] Cognitive Radio Technology [Bruce A Fette][2006] [7] COGNITIVE RADIO, SOFTWARE DEFINED RADIO,AND ADAPTIVE WIRELESS SYSTEMS - HÜSEYIN ARSLAN-Springer [8] M.Stojanovic, “On the Relationship Between Capacity and Distance in an Underwater Acoustic Communication Channel,” ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review (MC2R), pp.34-43, vol.11, Issue 4, Oct 2007 [9] M Stojanovic,“ Underwater Acoustic Communication Channels: Propagation Models and Statistical Characterization”, IEEE Communications Magazine, issue 1, Feb 2009 122 [10] M Stojanovic, “Efficient Processing of Acoustic Signals for High Rate Information Transmission over Sparse Underwater Channels”, to appear, Elsevier J.Physical Commun [11] D Kilfoyle, J Preisig, and A Baggeroer, “Spatial Modulation Experiments in the Underwater Acoustic Channel,” IEEE J Oceanic Eng., vol 30, no 2, Apr 2005, pp [12] Xuan Thang Nguyen and Van Duc Nguyen, “An Improvement of the Lp-Norm Method to Model Acoustic Shallow Water Channels,” [13] Tien Hoa Nguyen, Van Duc Nguyen, Hung Manh Tran, Thanh Hieu Nguyen, Tuan Van Le, Viet Kinh Nguyen, “Optimal Resource Allocation for Multiusers FDMA-based Cognitive Radio with Mutual Interference Threshold,” Proc ICASSP, 2008 123 ... mong nhận bảo, góp ý thầy cô bạn để phát triển đề tài tốt Hà nội, tháng 9/2014 TÓM TẮT ĐỒ ÁN *** Đồ án đề cập đến vấn đề nghiên cứu ứng dụng công nghệ nhận thức vô tuyến hệ thống thông tin thủy âm. .. kênh truyền dẫn nước 87 4.2 Công nghệ nhận thức thông minh 93 4.2.1 Hệ thống nhận thức thông minh 93 4.2.2 Hệ thống nhận thức thông minh áp dụng với kênh truyền dẫn nước 98... TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC Giới thiệu chương Hệ thống thông tin nước nghiên cứu từ nhiều thập kỉ trước giới Cùng với các hệ thống truyền thông mặt đất, hệ thống thông tin nước ngày