Nâng cao tốc độ truyền tin trong một kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam dùng điều chế OFDM

Bài báo giới thiệu về truyền tin quy mô nhỏ trong một kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam, với độ sâu dưới 50 m, cự ly 1km. Độ phân tán thời gian (độ trải trễ) tối đa trong kênh giả thiết là 10 ms, độ phân tán tần số tối đa (dịch tần Doppler cực đại) là 9Hz ứng với vận tốc cơ bản vài m/s của các thiết bị chuyển động dưới nước (không phải tàu ngầm). Các tính toán giải tích và mô phỏng sử dụng điều chế ghép theo tần số trực giao (OFDM) với tần số sóng mang 9KHz được đưa ra. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Nâng cao tốc độ truyền tin kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ Việt Nam dùng điều chế OFDM Trần Cao Quyền Khoa Điện tử-Viễn Thông, Trường Đại Học Công Nghệ (ĐHQGHN) Email: quyentc@vnu.edu.vn phần mềm Chính tất ưu điểm dẫn đến xem xét sử dụng điều chế OFDM cho kênh thủy âm Các nghiên cứu theo hướng giới kể đến [58] Abstract— Bài báo giới thiệu truyền tin quy mô nhỏ kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ Việt Nam, với độ sâu 50 m, cự ly 1km Độ phân tán thời gian (độ trải trễ) tối đa kênh giả thiết 10 ms, độ phân tán tần số tối đa (dịch tần Doppler cực đại) 9Hz ứng với vận tốc vài m/s thiết bị chuyển động nước (khơng phải tàu ngầm) Các tính tốn giải tích mơ sử dụng điều chế ghép theo tần số trực giao (OFDM) với tần số sóng mang 9KHz đưa Các kết chứng minh tính hiệu sử dụng điều chế OFDM loại hình kênh này, tốc độ truyền tin đạt tới 13Kbps Phần cịn lại báo tổ chức sau: phần II, miêu tả thềm lục địa vịnh Bắc Bộ Phần III, mơ hình kênh nước biển nơng giới thiệu Thiết kế hệ thống cho Phần IV Phần V kết mô Cuối kết luận báo II Keywords- Kênh nước biển nông, OFDM, độ trải trễ, dịch tần Doppler, SONAR(định vị đo xa dùng sóng âm) I Theo [1] thềm lục địa vịnh Bắc Bộ bao gồm toàn đáy vịnh Bắc Bộ kéo xuống tới vĩ độ 16o00’ Bắc ngang Đà Nẵng Thềm lục địa dạng lịng chảo chạy ép sát phía đảo Hải Nam có sườn máng dốc phía Việt Nam Độ sâu trung tâm vịnh đạt tới 70-80 m, vùng cửa vịnh khoảng 100m rìa thềm lục địa khoảng 200 m Hầu hết diện tích thềm lục địa có góc dốc 2’-5’ Mức độ chia cắt sâu nhỏ Chiếm ưu dạng địa hình âm dạng máng trũng đan kiểu phân nhánh Chúng có hướng dốc phía vịnh Bắc Bộ dấu vết thung lũng cổ Nơi gặp máng hố trũng, sâu đến 108 m phát phía ngồi khơi đảo Cồn Cỏ 120 km phía Đơng Bắc Các dạng địa hình dương thường mỏm đá ngầm, vết lộ cồn đá cổ sót lại, chúng phân bố ven bờ quanh đảo Bạch Long Vĩ., Trong báo chúng tơi khảo sát địa hình vịnh Bắc Bộ, nhiên nước ta cịn có 03 vùng biển khác Trung Bộ, Đông Nam Bộ Tây Nam GIỚI THIỆU Như biết Việt Nam quốc gia biển, biển ta phần biển Đông Theo Công ước Luật Biển năm 1982 [1], vùng đặc quyền kinh tế mở rộng tới khoảng cách tối đa 200 hải lý (1 hải lý = 1.852 m) tính từ đường sở Nước CHXHCN Việt Nam có chủ quyền hồn tồn thăm dị, khai thác, bảo vệ quản lý tất tài nguyên thiên nhiên, sinh vật không sinh vật vùng nước, đáy biển lòng đất dước đáy biển vùng đặc quyền kinh tế Việt Nam Hiện quan tâm nghiên cứu biển đảo có tính thời sự, có ý nghĩa kinh tế, xã hội an ninh quốc phòng Trong nghiên cứu truyền tin nước đóng vai trò quan trọng Đặc điểm truyền tin nước cho loại kênh phức tạp, chịu phân tán tần số thời gian nặng [2] Các nghiên cứu gần sử dụng điều chế khóa dời tần số (FSK) Mỹ có số kết định, đặc biệt giảm giá thành thiết bị [3] Tuy nhiên bị hạn chế mặt tốc độ truyền tin, đạt 5400 bauds Mặt khác kỹ thuật điều chế OFDM cho phép truyền song song sóng nên tốc độ truyền tin tăng lên tuyến tính theo số sóng sử dụng Việc kéo dài độ rộng ký hiệu phát giảm ảnh hưởng kênh quy mô nhỏ từ Fading lựa chọn tần số thành Fading phẳng Dùng tiền tố vịng (CP) làm cho hệ thống có khả kháng Fading cao hơn, thay tồn thơng tin có số bit bị ảnh hưởng [4] Các biến đổi biến đổi Fourier nhanh thuận/ ngược (FFT, IFFT) cho phép thực thi hệ thống OFDM III MƠ HÌNH KÊNH NƯỚC BIỂN NƠNG A Mơ hình kênh nước biển nơng Ta biết vận tốc sóng âm nước biển thay đổi theo độ sâu, phụ thuộc vào nhiệt độ, khí quyển, áp suất độ mặn nước biển Tại kênh nước sâu có lớp đảo nhiệt độ vận tốc âm biến đổi tạo nên tượng khúc xạ dương (tia sóng bị bẻ cong lên trên) hay khúc xạ âm (tia sóng bị bẻ cong xuống dưới) 318 ISBN: 978-604-67-0635-9 THỀM LỤC ĐỊA VỊNH BẮC BỘ 318 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) [2] mô tả đáp ứng xung kênh thủy âm với tham số f  5,10,15 KHz dải thơng 5KHz Đáp ứng xung có tap ứng với kết đo đường đầu tiên, đường trực tiếp có cơng suất lớn nhất, đường thứ hai suy giảm nửa so với đường thứ nhất, đường sau đóng góp vào kết (Hình 2) Trong báo sử dụng kết nguồn tham khảo chưa có điều kiện tiến hành phép đo thực địa Tuy nhiên kênh nước biển nơng tốc độ âm coi số Chính tượng chi phối kênh nước nông phản xạ âm bề mặt, đáy biển vật thể 1.5 Dap ung xung cua kenh Kenh thuy am voi f=5,10,15KHz, bang thong 5KHz Hình Mơ hình đa đường kênh nước nông Chúng tiếp tục khảo sát kênh thủy âm với cự ly km giống [9] để tiện cho tiến hành thực nghiệm sau Đồng thời quan sát kênh thủy âm quy mô nhỏ, ta cần quan tâm đến 03 yếu tố quan trọng: băng thông, trải trễ đa đường tối đa dịch tần Doppler cực đại A1 Băng thông Do sử dụng sóng âm phương tiện mang nên dải tần hẹp, thông thường khoảng 5KHz Trước Mỹ dùng thiết bị SONAR dải siêu âm, nhiên xu họ chuyển sang dung thiết bị âm tần với dải tần 0-20KHz [10] lp c Do tre(don vi=10ms) Hình Đáp ứng xung kênh thủy âm với f=5,10,15 KHz, băng thông 5KHz (tài liệu [2]) A3 Dịch tần Doppler Do có chuyển động tương đối máy phát máy thu kênh thủy âm nên xảy tượng dịch tần Doppler Chính ta ln phải tính tốn đến dạng méo gây loại chuyển động thiết kế, đặc biệt thuật toán đồng Biên độ hiệu ứng Doppler tỉ lệ với hệ số v a  , v vận tốc tương đối Tx Rx, c c vận tốc sóng âm Để so sánh ta xét hệ thống vô tuyến di động tốc , độ cao, v=160 km/h ta có a  1.5  10 với c vận tốc âm Các đường phản xạ đến Rx trễ giá l trị thời gian  i  i  t0 so với đường tham chiếu trực tiếp Độ c 7 [2], dịch tần Doopler tương ứng a f c (với fc tần số sóng mang) Giá trị nhỏ cho phép ta bỏ qua ảnh hưởng lên đồng ký hiệu Tuy nhiên xét kênh thủy âm, vận tốc sóng âm 1500 m/s nên thiết bị chuyển động nước phân tán thời gian tối đa (độ trải trễ tối đa) xét 10 ms, giá trị thường quan sát kênh thủy âm [2] Vì mục tiêu báo nghiên cứu truyền tin quy mô nhỏ nên đối tượng quan sát đáp ứng xung kênh thủy âm Nếu gọi hi độ lợi đường thứ i đáp ứng xung đơn giản kênh thủy âm biểu diễn h(t )   hi (t   i ) 0.5 A2 Trải trễ đa đường Ở phía thu ngồi đường trực tiếp cịn nhận đường phản xạ từ hai biên (mặt đáy biển) tạo tượng đa đường Chặt chẽ mà nói có vơ số đường, chúng chịu phản xạ nhiều lần hết lượng nên bị bỏ qua, lại số hữu hạn đường Giả thiết cự ly truyền Tx (phát) Rx (thu) lp Đường khỏe truyền trực tiếp qua đoạn lp thời gian t0  3 (không phải tàu ngầm) với vận tốc vài m/s hệ số a  10 Trong trường hợp sử dụng sóng siêu âm ta khơng thể bỏ qua giá trị dịch tần Doppler Tóm lại kênh nước biển nơng có đặc điểm Bảng I sau (1) Trên thực tế hi kênh thủy âm hàm tần số Theo thơng lệ mơ tả kênh lọc có đáp xung hữu hạn (FIR) (số tap hữu hạn), đặc tính chọn lọc theo tần số thể độ méo dạng tín hiệu ảnh hưởng kênh truyền Trong Hình 3,4 319 319 HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thơng Tin (ECIT 2015) Việc chọn khoảng phân cách sóng 17,6 Hz để điều kiện xấu hệ thống chịu ảnh hưởng dịch tần Doppler chiếm khoảng 50% phân cách sóng Chọn tham số để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng kỹ thuật bù khử dịch tần Doppler cần thiết Từ tham số hệ thống OFDM Bảng II ta tính tốc độ lý thuyết hệ thống OFDM Bảng I Tham số kênh nước biển nông Tham số Băng thông (B) Giá trị 5KHz 10 ms Trải trễ tối đa (  m ) Dịch đại( tần f m  a f Doppler cực 10-3x9000Hz=9Hz c) Đáp ứng xung (f=5,10,15KHz) hieu suat su dung phoQPSK  so song chu ky ky hieu  384   13497 bps 56,9  103 Hình R B Đáp ứng xung kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ Việt Nam Trên sở phân tích chúng tơi đề xuất mơ hình kênh nước biển nơng thuộc vịnh Bắc Bộ Việt Nam có đáp ứng xung với biên độ tuân theo phân bố Rayleigh sau: (2) h  a  jb Theo kết [3] hệ thống dùng điều chế FSK mức đạt tốc độ lý thuyết Rbit  hieu suat su dung BFSK  Rbaud  1 5400  5400 bps a , b  N (0,  ) , phân bố Gauss với trung bình khơng  phương sai tạp âm môi trường biển vịnh Bắc Bộ Giá trị tạp âm phụ thuộc vào nhiều yếu tố trạng thái biển, tốc độ gió mật độ lưu thông phương tiện tàu thủy Theo tài liệu [9], trạng thái biển ổn định, tốc độ gió So sánh hai kết rõ ràng dùng điều chế OFDM đạt tốc độ tốt Đồng thời [3] dùng điều chế FSK với hai tần số sóng mang f=1200 Hz, 2200 Hz nên chu kỳ ký hiệu 0,83 ms 0,45 ms nhỏ đáng kể so với độ trải trễ tối đa 10 ms, hệ thống chịu ảnh hưởng Fading lớn từ kênh thủy âm, nhiều trường hợp hồn tồn thơng tin trung bình, mật độ lưu thông tàu thủy vừa phải   90dB Tuy nhiên xét thêm tượng đa đường với độ trải trễ tối đa 10 ms chuẩn hóa giá trị độ lợi tap đáp ứng xung kênh thủy âm sau h(t )  0.6* h(t )  0.4* h(t   m ) (3) Hệ số phản xạ mặt biển -1 (chỉ quay pha), tia âm phản xạ thềm lục địa giả thiết lần mát 3dB IV V THIẾT KẾ HỆ THỐNG Trước tiên thiết kế hệ thống OFDM với tham số Bảng II sau Bảng II Các tham số hệ thống OFDM Tham số Tần số lấy mẫu Số điểm lấy FFT, IFFT Khoảng bảo vệ Điều chế sóng Chu kỳ ký hiệu khơng có CP Chu kỳ ký hiệu có CP Số sóng Khoảng phân cách sóng KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Phần trình bày mơ với kịch sau đây: KỊCH BẢN Mơ hình kênh nước biển nơng vịnh Bắc Bộ Việt Nam mô tả phần III Ở sử dụng công thức (2) cho mô Đồng thời coi độ trễ tap Mơ hình máy phát thu dùng điều chế OFDM với tham số Bảng II Tiến hành mô Monte Carlo dùng 384   1500  1152000 bit , máy tính , để kiểm tra chất lượng hệ thống KỊCH BẢN Mơ hình kênh nước biển nơng vịnh Bắc Bộ Việt mô tả phần III Tuy nhiên xét thêm tượng đa đường với độ trải trễ tối đa 10 ms chuẩn hóa giá trị độ lợi tap đầu tiên, đáp ứng xung kênh thủy âm công thức (3) Mô cho kịch sử dụng công thức Các điều kiện khác kịch Giá trị KHz 512 128 QPSK 56,9 ms 71,1 ms 384 17,6 Hz Nhìn Bảng II ta thấy tần số sóng mang 9KHz, sở để lựa chọn theo xu thiết bị SONAR Mỹ [10] để phù hợp tần số, giảm giá thành đầu dị (transducer), phận khơng thể thiếu thiết bị thủy âm Khoảng bảo vệ, CP chiếm 25% độ dài chu kỳ ký hiệu, để chống lại Fading đa đường Việc chọn chu kỳ ký hiệu 56,9 ms lớn nhiều so với độ trải trễ tối đa 10 ms (chú ý theo [2] độ trải trễ tối đa 50 ms tác giả xét tới tap), đảm bảo giảm ảnh hưởng Fading kênh lên chất lượng tín hiệu Sau tiến hành mơ chúng tơi có kết Kịch Hình Kịch Hình sau 320 320 Thảo QuốcGia Gia2015 2015về Điện Điện Tử, Truyền Thông Thông Tin Tin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Tử, Truyền ThôngvàvàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) với đường trực tiếp (đây kịch xấu xảy hệ thống truyền tin) Tại mức BER=10-3 kênh phải bù khoảng 14 dB so với kênh AWGN mà có ảnh hưởng tạp âm biển Như tiến hành mơ hồn chỉnh hệ QPSK OFDM kênh thủy âm đề xuất đặc trưng cho kênh nước biển nơng vịnh Bắc Bộ, nói loại kênh phức tạp kênh vô tuyến thông thường kết bước đầu nỗ lực nhằm nâng cao tốc độ truyền tin biển BER kenh Thuy am Rayleigh Fading 10 Duong ly thuyet kenh AWGN Mo phong kenh Rayleigh Fading -1 BER cua he QPSK OFDM 10 -2 10 VI -3 10 Bài báo tiến hành quan sát lý thuyết kênh nước biển nơng thuộc địa hình vịnh Bắc Bộ Việt Nam Một mơ hình kênh thủy âm cụ thể đề xuất Một hệ truyền tin vơ tuyến QPSK OFDM sử dụng sóng âm tần số 9KHz thiết kế mơ hồn chỉnh để truyền tin qua mơ hình kênh đề xuất Các ảnh hưởng phân tán thời gian tần số xem xét Trên quan điểm thiết kế mà nói thiết kế thành cơng đạt tốc độ truyền tin gần 2,5 lần so với kết dùng FSK [3] -4 10 -5 10 -2 10 Eb/No, dB 12 14 16 18 20 Hình Tỷ lệ lỗi bit hệ QPSK OFDM cho kênh AWGN (đường màu xanh nước biển, có chấm vng), tỷ lệ lỗi bit cho kênh thủy âm Rayleigh Fading (đường màu hồng, có chấm chéo) 10 BER kenh Thuy am Fading Rayleigh co Da duong(2 tap, loi chuan hoa) TÀI LIỆU THAM KHẢO Duong ly thuyet kenh AWGN Mo phong kenh Rayleigh Fading [1] [2] Nguyễn Văn Phòng (2007), Bách Khoa Biển, NXB từ điển bách khoa M Stojanovic (2008), “Underwater acoustic communications: design considerations on the physical layer”, IEEE Fifth annual conference on wireless on demand network systems and services, pp 1-10 [3] A Dairo cộng (2013), “Low cost frequency shift keying acoustic modem for underwater wireless sensors networks”, Proceeding of the Spring 2013 Mid-Atlantic Section Conference of the American Society of Engineering Education, pp.36-46 [4] R.V Nee R Prasad (2000), OFDM for wireless multimedia communications, Artech House Boston, London [5] M Stojanovic (2008), “OFDM for underwater acoustic communications: adaptive synchronization and sparse channel estimation”, IEEE International conference on acoustic, speech and signal processing, pp 5288-5291 [6] Baosheng Li cộng (2009), “ MIMO-OFDM for high rate underwater acoustic communications”, IEEE Journal on Oceanic Engineering, Vol.34, pp.634-644 [7] M Stojanovic (2006), “ Low complexity OFDM detector for underwater acoustic channels”, pp.1-6, IEEE Conference Oceans, DOI: 10.1109/OCEANS.2006.307057 [8] A Radosevic cộng (2013), “Adaptive OFDM modulation for underwater acoustic communications: Design considerations and Experimental results”, IEEE Journal of Oceanic Engineering, pp 357370 ISSN: 0360-9059 [9] Trần Bá Tấn Trần Cao Quyền (2015), “Design an power amplifier for a digital underwater modem using FSK modulation”, Journal of Science and Technology-Hanoi University of Industry, pp.15-18 ISSN 1859-3585 [10] Bạch Nhật Hồng (2006), Đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc tham số vật bay không thiết bị truyền tin nước phục vụ kinh tế- xã hội, an ninh quốc phòng”, Quyển III, Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị liên lạc thủy âm -1 BER cua he QPSK OFDM 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 KẾT LUẬN -2 10 Eb/No, dB 12 14 16 18 20 Hình Tỷ lệ lỗi bit hệ QPSK OFDM cho kênh AWGN (đường màu xanh nước biển, có chấm vng), tỷ lệ lỗi bit cho kênh thủy âm Rayleigh Fading với tap, độ lợi chuẩn hóa (đường màu hồng có chấm chéo) Từ Hình ta thấy kênh thủy âm khảo sát phức tạp, kể đến tượng đa đường chất lượng tín hiệu thu bị hạn chế đáng kể Với mức BER=10-3 kênh AWGN kênh thủy âm Rayleigh Fading cần mật độ lượng bit tạp âm, Eb/No tương ứng dB 18 dB Như với mức BER=10-3 kênh thủy âm sụt giảm 12 dB so với kênh AWGN Sở dĩ có tượng phân tán thời gian xảy lớn kênh thủy âm Tuy nhiên tin thơng tin bị phá hủy phần mà không bị hoàn toàn sử dụng việc kéo dài độ rộng chu kỳ ký hiệu phát Kết từ Hình thể xuống cấp chút chất lượng tín hiệu thu ảnh hưởng trải trễ tối đa phát huy tác dụng công suất đường phản xạ so sánh 321 321 ... B Đáp ứng xung kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ Việt Nam Trên sở phân tích chúng tơi đề xuất mơ hình kênh nước biển nơng thuộc vịnh Bắc Bộ Việt Nam có đáp ứng xung với biên độ tuân theo phân... thuyết kênh nước biển nông thuộc địa hình vịnh Bắc Bộ Việt Nam Một mơ hình kênh thủy âm cụ thể đề xuất Một hệ truyền tin vơ tuyến QPSK OFDM sử dụng sóng âm tần số 9KHz thiết kế mơ hồn chỉnh để truyền. .. đây: KỊCH BẢN Mơ hình kênh nước biển nông vịnh Bắc Bộ Việt Nam mô tả phần III Ở sử dụng công thức (2) cho mô Đồng thời coi độ trễ tap Mơ hình máy phát thu dùng điều chế OFDM với tham số Bảng