Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ ĐÌNH HƯNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO TRUYỀN THÔNG DƯỚI NƯỚC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM Ngành : Kỹ thuật viễn thông Mã số : 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG PGS.TS HÀ DUYÊN TRUNG Hà Nội - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án kết nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác, trung thực không trùng lặp với kết cơng bố trước Tập thể hướng dẫn TS Nguyễn Quốc Khương Tác giả luận án PGS.TS Hà Duyên Trung i Đỗ Đình Hưng LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Quốc Khương PGS.TS Hà Duyên Trung thầy giáo trực tiếp hướng dẫn khoa học hỗ trợ mặt để tơi hoàn thành đề tài luận án Tiến sĩ Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Đức- Trưởng phòng nghiên cứu WiCom Lab giúp đỡ tận tình q trình cơng bố nghiên cứu khoa học Tơi bày tỏ lịng biết ơn đến PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh - Hiệu trưởng Trường Điện-Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội, nơi học tập nghiên cứu suốt trình Tơi xin cảm ơn Phịng Đào tạo Đại học, thầy cô giúp đỡ nhiều trình làm Nghiên cứu sinh Cuối cùng, tơi xin dành lời cám ơn trân trọng đến gia đình tơi Sự động viên, giúp đỡ hi sinh, nhẫn nại gia đình động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 31 tháng năm 2023 Tác giả luận án Đỗ Đình Hưng 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 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .1 NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NHỮNG GIỚI HẠN TRONG CÁC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG…………………………………………………………… 1.2 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 1.3 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC .9 1.3.1 Các thông số chủ yếu môi trường thủy âm ……………………… 1.3.2 Tính đa đường lan truyền sóng âm 10 1.3.3 Suy hao môi trường nước .10 1.3.4 Nhiễu môi trường 11 1.3.5 Hiệu ứng Doppler 11 1.3.6 Nhận xét 12 1.4 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SĨNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MƠI TRƯỜNG DƯỚI NƯỚC .12 1.4.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM 13 1.4.2 Tính trực giao 14 1.4.3 Nhiễu giao thoa ký tự nhiễu giao thoa sóng mang .15 1.4.4 Các vấn đề kỹ thuật OFDM 18 1.5 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KHÁC TƯƠNG ĐƯƠNG KỸ THUẬT OFDM .22 iii 1.5.1 Đặt vấn đề 22 1.5.2 Mơ hình so sánh OFDMA SC-FDMA………………………………… 22 1.5.3 Kết mô phỏng………………………………………………………… 25 1.5.4 Kết thực nghiệm 27 1.5.5 Nhận xét 27 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 28 CHƯƠNG ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC .29 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG .29 2.2 ĐỒNG BỘ THỜI GIAN 29 2.2.1 Khái niệm .29 2.2.2 Một số phương pháp đồng thời gian phổ biến .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 thực nghiệm 39 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG .43 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 44 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 44 3.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƯỢNG DOPPLER………………………………………… 44 3.2.1 Mơ hình tín hiệu 44 3.2.2 Đồng thô tần số .45 3.2.3 Kiểm soát bù tần số việc sử dụng tín hiệu dẫn đường liên tục kết hợp giám sát công suất trễ .46 3.2.4 Bù dịch tần Doppler 48 3.3 ĐỀ XUẤT GIẢI 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 thực nghiệm 56 3.3.3 Giao diện hệ thống .58 3.3.4 Kết thu 59 3.3.5 Nhận xét 60 3.4 PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER SỬ DỤNG TÍN HIỆU SÓNG MANG DẪN ĐƯỜNG (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 phương pháp thực 66 3.5 PHƯƠNG 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 phương pháp thực 71 3.5.5 Thực nghiệm kết .73 3.5.6 Nhận xét 76 3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 76 CHƯƠNG TRUYỀN THÔNG DƯỚI NƯỚC SỬ DỤNG MƠ HÌNH SISO KẾT HỢP ĐẶC TÍNH PHÂN TẬP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN CỦA HỆ THỐNG MIMO 78 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 78 4.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 78 4.3 CÁC 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 LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO 82 4.5 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN CHO TRUYỀN THÔNG DƯỚI NƯỚC 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 khơng gian thời gian .84 4.5.3 Thực nghiệm, mô hệ thống kết .88 4.5.4 Nhận xét 93 4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 93 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 94 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .96 TÀI LIỆU THAM KHẢO CỦA LUẬN ÁN 97 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phổ tín hiệu FDM OFDM 13 Hình 1.2 a.Tác động nhiễu hệ thống đơn sóng mang b Tác động nhiễu đến hệ thống đa sóng mang 14 Hình 1.3 Phổ sóng mang trực giao 15 Hình 1.4 Phổ bốn sóng mang trực giao 16 Hình 1.5 Phổ bốn sóng mang không trực giao 16 Hình 1.6 Ảnh hưởng ISI 17 Hình 1.7 Chèn khoảng bảo vệ khoảng trống 17 Hình 1.8 Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix .18 Hình 1.9 Suy giảm biên độ lệch tần số sóng mang 20 Hình 1.10 Sơ đồ so sánh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA SC-FDMA [5] 23 Hình 1.11 Mơ hình chèn pilot 25 Hình 1.12 Kết mơ lý thuyết trường hợp điều chế BPSK, NFFT=2048, GI=1024, với kênh Rayleigh nTap=10 26 Hình1.13 Dạng tín hiệu OFDM SC-FDMA bị cắt đỉnh vượt ngưỡng 26 Hình 1.14 So sánh kết mô 26 Hình 1.15 a Chòm OFDMA với SER=0.048 b Chòm SC-FDMA với SER=0.103 27 Hình 2.1 Phổ tín hiệu đồng OFDM………………………………………………………….30 Hình 2.2 Mơ tả q trình đồng thời gian theo phương pháp Schmidl .31 Hình 2.3 Mơ tả q trình đồng thời gian theo phương pháp Minn 32 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống OFDM 35 Hình 2.5 Kỹ thuật xếp sóng mang hệ thống OFDM .36 Hình 2.6 Thuật toán đồng thời gian sử dụng chuỗi GI .38 Hình 2.7 Hệ thống OFDM thực nghiệm 40 Hình 2.8 Tín hiệu OFDM thu hệ thống hồ Tiền 40 Hình 2.9 Hàm phân bố mật độ xác suất biên tín hiệu OFDM thu 41 Hình 2.10 So sánh độ ổn định tín hiệu đỉnh đồng gần 41 Hình 2.11 So sánh SNR hai phương pháp 42 Hình 2.12 Chịm tín hiệu thu sau giải mã phương pháp 42 Hình 3.1 Cấu trúc khung liệu 46 Hình 3.2 Tín hiệu dẫn đường liên tục 47 vi Hình 3.3 Hiện tượng dịch chuyển phổ công suất trễ gây co giãn thời gian 48 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống thu – phát .51 Hình 3.5 Kỹ thuật xếp liệu lên sóng mang cho hệ thống OFDM 52 Hình 3.6 Khung tín hiệu phát 53 Hình 3.7 a Chịm tín hiệu thu b Chịm xoay lại thuật toán xoay pha 55 Hình 3.8 Sơ đồ thực nghiệm hệ thống 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 Chịm tín hiệu thu sau xoay pha 59 Hình 3.13 Hệ thống truyền liệu số kênh truyền thủy âm bao gồm sơ đồ khối máy phát máy thu 62 Hình 3.14 Phổ cơng suất trung bình tín hiệu .65 Hình 3.15 Mơ hình hệ thống giải mã trực tiếp 69 Hình 3.16 Mơ hình thực nghiệm 73 Hình 3.17 a Tín hiệu OFDM thu miền thời gian b Phổ tín hiệu với sóng mang CFP trung tâm 73 Hình 3.18 Biến thiên độ dịch tần Doppler theo vận tốc dịch chuyển tương đối bên phát bên thu .75 Hình 3.19 So sánh SER phương pháp giải mã trực tiếp giải mã bước 76 Hình 4.1 Mơ hình hệ thống MIMO .78 Hình 4.2 Từ mã phát có xen không xen .80 Hình 4.3 Các loại phân tập không gian 81 Hình 4.4 Mỗi khung tín hiệu phát lặp N lần .84 Hình 4.5 Hệ thống anten phát nhiều anten thu (SIMO) 84 Hình 4.6 Lưu đồ thuật tốn giải mã N khung tín hiệu 86 Hình 4.7 Độ hội tụ điểm tín hiệu chịm M-QAM 87 Hình 4.8 Kết hợp khung giải mã MRC theo thứ tự SNR giảm dần 88 Hình 4.9 So sánh trường hợp 89 Hình 4.10 Mơ hình thực nghiệm 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 1.1 Các thông số hệ thống truyền tin nước 10 Bảng 2.1 Các thông số hệ thống thủy âm sử dụng thuật toán đồng thời gian 39 Bảng 3.1 Các thông số hệ thống thủy âm sử dụng chuỗi hình sin 57 Bảng 3.2 Các thông số hệ thống thủy âm sử dụng CFP 73 Bảng 4.1 SNR khung truyền liệu ………………………………………………… 88 Bảng 4.2 Các tham số hệ thống OFDM-SISO 91 Bảng 4.3 SER khung kết hợp khung 92 viii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 4G Fourth-Generation wireless communication system Mạng di dộng hệ thứ ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số ASK Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên 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 dẫn đường CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số - tương tự DFT Discrete Fourier transform Phép biến đổi Fourier rời rạc DVB-T Digital Video Broadcasting for Terrestrial Transmission Mode Hệ thống truyền hình số mặt đất FDM Frequency Division Mutilplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh FSK Frequency Shift Keying Điều chế khóa dịch tần GI Guard Interval Khoảng bảo vệ ICI Intercarrier Interference Nhiễu liên kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh ngược ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên ký tự M-QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào đa đầu MRC Maximal Ratio Combiners Bộ kết hợp tỷ lệ tối đa OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao P/S Parallel to Serial Bộ chuyển đổi từ song song sang nối tiếp PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình ix