Xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm

MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .5 DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ .7 LỜI NÓI ĐẦU .1 TÓM TẮT LUẬN VĂN GIỚI THIỆU CHUNG Mục đích thiết kế Phương pháp thực .3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC Giới thiệu chương .4 1.1 Vai trò hệ thống thông tin thủy âm 1.2 Đặc điểm sóng thủy âm 1.2.1 Đặc tính tần số sóng thủy âm 1.2.2 Vận tốc sóng âm nước .5 1.2.3 Đặc tính lan truyền sóng âm môi trường nước .7 1.3 Đặc điểm kênh truyền thủy âm 17 1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền thủy âm 17 1.3.2 Suy hao môi trường nước 20 1.3.3 Sự suy giảm âm chất lắng cặn 29 1.3.4 Nhiễu môi trường 35 1.3.5 Hiệu ứng Doppler 35 1.4 Các tham số đánh giá hiệu kênh 37 1.4.1 Đánh giá tỉ số SNR – Tần số tối ưu .37 1.4.2 Đánh giá băng thông, tỉ số C/B 38 Kết chương 42 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC COGNITIVE RADIO 43 Giới thiệu chương 43 2.2 Software defined radio 43 2.2.1 Khái Niệm 43 2.2.2 Giới thiệu Lịch sử SDR 43 2.2.3 Các thiết bị hỗ trợ SDR 44 2.2.4 Lợi ích từ SDR .45 2.3 Cognitive Radio (CR) .46 2.3.1 Giới thiệu .46 2.3.2 Định nghĩa 47 2.3.3 Kiến trúc vật lí .48 2.3.4 Sự phát triển Cognitive Radio (CR) 50 2.3.5 Các chức CR 54 2.3.6 Cảm biến phổ (spectrum sensing) 56 Kết chương 60 CHƯƠNG XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN THỦY ÂM 61 Giới thiệu chương 61 3.2 Đặc tính kênh truyền nước .61 3.2.1 Suy hao đường truyền môi trường nước 61 3.2.2 Nhiễu màu môi trường nước 62 3.3 Công nghệ vô tuyến nhận thức 63 Kết chương 68 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .69 Giới thiệu chương 69 4.2 Kênh truyền dẫn 69 4.3 Hệ thống vô tuyến nhận thức thông minh thủy âm 69 Kết chương 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu đưa luận văn dựa kết thu trình nghiên cứu riêng tôi, không chép kết nghiên cứu tác giả khác Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng số thông tin, tài liệu từ nguồn sách, tạp chí liệt kê danh mục tài liệu tham khảo Nguyễn Văn Thọ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ Từ gốc Ý nghĩa ASK Amplitude Shift Keying Điều chế số theo biên độ tín hiệu BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit FSK Frequency Shift Keying Điều chế số theo tần số tín hiệu GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu Gauss ISI InterSymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự MSK Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu OFDM Orthogonal Frequency Divionsion Kỹ thuật điều chế đa sóng mang Multiplex trực giao PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PSK Phase Shift Keying Điều chế số theo pha tín hiệu QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm UAC Underwater Acoustic Channel Kênh thông tin thủy âm CR Cognitive Radio Sóng mang nhận thức thông minh PU Primary User Người dùng DANH MỤC BẢNG BIỂU 4-1: Bảng lựa chọn phạm vi truyền song theo băng thông tín hiệu 70 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Tốc độ âm phụ thuộc vào nhiệt độ độ sâu (S=33ppt) Hình 1-2 Sự phụ thuộc tốc độ âm vào độ mặn nước Hình 1-3 Di chuyển hạt từ vị trí x tới vị trí x+dx Hình 1-4 Môi trưởng truyền sóng đồng với nguồn S bên thu R 12 Hình 1-5 Hiện tượng đa đường môi trường nước 13 Hình 1-6 Mô hình đa đường theo lý thuyết tia 14 Hình 1-7 Sự phụ thuộc nhiệt độ theo độ sâu nước biển 18 Hình 1-8 Sự thay đổi độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic) 19 Hình 1-9 Hệ số hấp thụ a  f  môi trường nước 20 Hình 1-10 Suy hao theo phân bố cầu vùng nước sâu 21 Hình 1-11 Suy hao theo phân bố trụ môi trường nước nông 22 Hình 1-12 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp 24 Hình 1-13 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois Garrison) 26 Hình 1-14 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn nhiệt độ (T=200C) - công thức Francois Garrison[4] 27 Hình 1-15 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn nhiệt độ (T=300C) - công thức Francois Garrison[4] 28 Hình 1-16 Hệ số suy hao theo mô hình khác (T = 4oC, D=1000m, pH=8)28 Hình 1-17 Phản xạ khúc xạ mặt phân cách hai chất lỏng 30 Hình 1-18 Sự phụ thuộc SNR vào khoảng cách truyền tần số 37 Hình 1-19 Giá trị tần số tối ưu theo khoảng cách 38 Hình 1-20 Bảng giá trị b0 , c0 , p0 , 0 ,  ,  theo SNR 41 Hình 1-21 Giá trị B[kHz] C[kHz] theo khoảng cách 41 Hình 1-22 Đặc tuyến C/B theo SNR0 Eb / N0 42 Hình 2-1 Hiệu suất sử dụng phổ tần số 47 Hình 2-2 Cấu trúc SDR 48 Hình 2-3 RF Fron-End 49 Hình 2-4 Sự phát triển Cognitive Radio (CR) 50 Hình 2-5 Kiến trúc mạng xG 53 Hình 2-6 Chu trình cognitive 55 Hình 2-7 Cảm biến tìm phổ trống 56 Hình 2-8 Sơ đồ khối Spectrum Sensing 58 Hình 2-9 Sơ đồ cảm biến miền thời gian 59 Hình 2-10 Sơ đồ cảm biến miền tần số 60 Hình 3-1: Phân bố phổ tần hệ thống sơ cấp thứ cấp 64 Hình 3-2: Mô hình nhiễu hệ thống sơ cấp thứ cấp 65 Hình 4-1 Mô tả sơ đồ hệ thống xây dựng cho kênh truyền 69 Hình 4-2: Phân bố công suất CR với ngưỡng nhiễu 165 mW 71 Hình 4-3: Phân bố công suất CR với ngưỡng nhiễu 4*165 mW 72 Hình 4-4: Phân bố công suất CR với ngưỡng nhiễu 7*165 mW 72 Hình 4-5: Phân bố công suất CR với ngưỡng nhiễu 11*165 mW 73 Hình 4-6: Phân bố công suất CR với ngưỡng nhiễu 15* 165 mW 73 Hình 4-7: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 1km,dsp = 1km, dps = 3km 74 Hình 4-8: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 2km, dsp = 1km, dps = 3km 74 Hình 4-9: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km, dsp = 1km, dps = 3km 75 Hình 4-10: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km, dsp = 2km, dps = 5km 75 Hình 4-11: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km, dps = 5km,không tính đến nhiễu màu 76 Hình 4-12: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km, dps = 5km, tính đến nhiễu màu 76 LỜI NÓI ĐẦU Tài nguyên tần số hữu hạn vô quý giá, dải tần số dần trở nên chật hẹp nhu cầu dụng… Mặc dù hiệu suất sử dụng tài nguyên tần số lại thấp 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) Cognitive radio công nghệ đầy hứa hẹn cho phát triển viễn thông tương lai tính linh hoạt thông minh đáp ứng yêu cầu sử dụng hiệu tần số cao cảm nhận phổ, biết phổ sử dụng phổ trống, từ đưa định sử dụng phổ Nhu cầu thông tin liên lạc nước Việt Nam ngày trở nên cần thiết với mục đích khác thám hiểm tài nguyên biển, vận hành phương tiện biển tự động quân Tuy nhiên, khác biệt đặc tính môi trường không gian tự môi trường biển nên công nghệ sử dụng cho thông tin vô tuyến thời khó áp dụng cho việc thông tin nước Đặc biết dải tần số cho thông tin liên lạc nước lại hạn hẹp (KHz) Xuất phát từ nhu cầu thực tế khuôn khổ luận văn này, xin trình bày việc xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thực Cognitive radio ứng dụng cho kênh truyền thông tin liên lạc nước sử dụng công cụ mô phỏng Matlab Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS.Nguyễn Quốc Khương tận tình bảo giúp đỡ suốt thời gian hoàn thành luận văn Với thời gian kiến thức hạn hẹp nên luận văn không tránh khỏi tồn nhiều thiếu sót Tôi mong nhận bảo, góp ý thầy cô bạn để phát triển đề tài tốt 𝑅𝑖,𝑘 (ℎ𝑖,𝑘 , 𝑃𝑖,𝑘 ) = ∆𝑓 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝑃𝑖,𝑘 |ℎ𝑖,𝑘 |2 𝜎2 ) (3.13) Trong đó: 𝜎 tính sau (nếu tính đến nhiễu màu): (𝑚,𝑘) 𝜎 = 𝜎𝐴𝑊𝐺𝑁 + ∑𝐿𝑙=1 𝐽(𝑙) + ∑𝐾 𝑚=1,𝑚≠𝑘 𝑀𝑛,𝑖 + 𝑐𝑜𝑙𝑜𝑟𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒 (3.14) 𝜎𝐴𝑊𝐺𝑁 nhiễu trắng Thông lượng tổng cộng cho CR: 𝑁(𝑘) 𝐶 = max ∑𝑖=1 ∑𝐾 𝑘=1 𝑅𝑖,𝑘 (ℎ𝑖,𝑘 , 𝑃𝑖,𝑘 ) (3.15)T Trong 𝑁(𝑘) số sóng mang CR thứ k K số CR user Với điều kiện ngưỡng: (𝑙) (𝑙) ∑𝑁 𝑖=1 𝐼𝑖 ≤ 𝐼𝑡ℎ , ∀𝑙 (3.16) ≤ 𝑃𝑖,𝑘 ≤ 𝑃𝑡ℎ , ∀𝑖, 𝑘 (3.17) c Lưu đồ thuật toán: 67 Bắ
đầu CR đo đạc kênh truyền - Số CR use , số PU Use - Số sóng mang cấ há
cho PU Use Băng
hông cho PU => Khoảng cách sóng mang - Khoảng cách đến PU CR hác - Công suấ
há
Tính
oán nhiễu cộng Từ CR há
đến PU
hu (I) Tính
oán nhiễu Từ CR há
đến CR
hu (M) I *P ≤ I
h (0 ≤ P ≤ Pma ) Cấ há
công suấ
P cho CR Tính
oán nhiễu Từ PU há
đến CR
hu (J) + Nhiễu
ổng cộng : σ2 + Dung l ợng l n nhấ
hệ
hống CR Kết chương Tóm lại, Chương trình bày cách chi tiết xây dựng hệ thống kênh truyền dẫn nước đồng thời triển khai công nghệ nhận thức thông minh vào hệ thống kênh thông tin nước Nội dung trình bày Chương tảng lý thuyết sở chứng minh từ mô phỏng chương 68 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Giới thiệu chương Chương này là những hình ảnh minh hoạ cho kết thực được gồm trình mô phỏng, cấp phát công suất cho người dùng CR sử dụng công nghệ nhận thức thông minh có tính đến suy hao đường truyền nhiễu màu Chương đưa cách diễn giải trình bày kết mô phỏng chứng minh cho lý thuyết xây dựng hệ thống chương 4.2 Kênh truyền dẫn Mô hình hệ thống thông tin thủy âm: Colored Noise Mô hình kênh Path loss + X Y Hình 4-1 Mô tả sơ đồ hệ thống xây dựng cho kênh truyền Trong mô hình kênh sử dụng mô hình kênh Rayleigh, thông số cài đặt tương ứng với kênh truyền nước, có tính đến suy hao đường truyền pathloss nhiễu màu Chi tiết kết trình bày mục 4.3 4.3 Hệ thống vô tuyến nhận thức thông minh thủy âm Phần sau trình bày kết đạt trình mô phỏng Kết trình bày theo phần: sử dụng CR việc tối ưu cấp phát lượng cho môi trường kênh truyền nước Kết bao gồm:  So sánh phân bố lượng cho song mang dựa vào thay đổi mức ngưỡng nhiễu lẫn người dùng CR 69  So sánh phân bổ lượng cho song mang con, thông lượng hệ thống dựa vào thay đổi khoảng cách truyền  So sánh phân bổ lượng cho song mang con, thông lượng hệ thống có ảnh hưởng nhiễu mầu nhiễu màu Dựa vào việc phân chia sóng mang PU CR công nghệ vô tuyến nhận thức tương thích với mô hình kênh truyền nước Thiết lập tham số mô phỏng:  Tần số sóng mang: fc = 12KHz  Băng thông CR: 10KHz  Tổng số sóng mang 64 sóng mang con: N = 64 Trong 32 sóng mang đầu cho CR1, 32 sóng mang sau cấp phát cho CR2;  Khoảng cách sóng mang : df = 156.25Hz  Công suất phát PU: P = 100W  Công suất phát lớn CR 100 W:  Ngưỡng nhiễu mô phỏng giả sử: [1 ; 4; 7; 11; 15] * 165 mW;  Băng thông PU1 10 KHz; PU2 15 KHz  Khoảng cách truyền user phát thu thay đổi bán kình 10km Phạm vi truyền lựa chọn dựa vào bảng sau [15]: Range (Km) Băng thông (KHz) Rất lớn 1000 1 Lớn 10-100 2-5 Trung bình 1-10  10 Ngắn 0.1-1 20-50 Rất ngắn  0.1  100 4-1: Bảng lựa chọn phạm vi truyền song theo băng thông tín hiệu 70 Các tham số khoảng cách: + dss: khoảng cách từ CR phát đến CR thu + dsp: khoảng cách từ CR phát đến PU thu + dps: khoảng cách từ PU phát đến CR thu Kết quả 1: So sánh phân bố lượng cho song mang dựa vào thay đổi mức ngưỡng nhiễu lẫn người dùng CR Hình 4-2: Phân bố công suất của CR (w) với ngưỡng nhiễu I = 1* 165 mW 71 Hình 4-3: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu I = 4*165 mW Hình 4-4: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu I = 7*165 mW 72 Hình 4-5: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu I=11*165 mW Hình 4-6: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu I=15* 165 mW 73 Kết quả 2: So sánh phân bổ lượng cho song mang con, thông lượng hệ thống dựa vào thay đổi khoảng cách truyền Hình 4-7: Thông lượng của hệ thống với trường hợp dss = 1km,dsp = 1km,dps=3km Hình 4-8: Thông lượng của hệ thống với trường hợp dss = 2km, dsp = 1km,dps=3km 74 Hình 4-9: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km,dsp = 1km, dps =3km Hình 4-10: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km,dsp = 2km, dps=5km 75 Kết quả 3: So sánh phân bổ lượng cho song mang con, thông lượng hệ thống có ảnh hưởng nhiễu mầu nhiễu màu Hình 4-11: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km,dps = 5km,không tính đến nhiễu màu Hình 4-12: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km,dps=5km, tính đến nhiễu màu 76 Kết chương Ảnh hưởng ngưỡng nhiễu đến việc cấp phát công suất: - Tại khoảng cách, Với ngưỡng nhiễu cho phép lớn Pu cho phép CR phát với mức công suất cao mà đảm bảo không ảnh hưởng tới băng thông PU sử dụng ngược lại Ảnh hưởng khoảng cách bên phát bên thu: - Với ngưỡng nhiễu cho phép, truyền khoảng cách xa công suất thu điểm thu nhỏ, nhiễu ảnh hưởng CR PU CR với nhỏ (các user không ảnh hưởng tới nhau) cho phép CR phát với công suất cao Ảnh hưởng nhiễu màu môi trường nước: - Với trường hợp có tính toán đến nhiễu màu môi trường nước, nhiễu ảnh hưởng song mang con, thông lượng toàn hệ thống CR giảm 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau trình học tập, nghiên cứu, với hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy cô, tác giả tìm hiểu nhiều thông tin hệ thống thủy âm, mô hình kênh truyền Tác giả hoàn thành luận văn với số đóng góp sau: - Phương pháp nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin thủy âm; - Lợi ích từ công nghệ SDR CR; - Áp dụng công nghệ vô tuyến nhận thức: cấp phát sóng mang cho CR cấp phát công suất cho CR dựa vào ngưỡng nhiễu cho phép cho môi trường thủy âm - Tính toán ngưỡng nhiễu dựa vào công suất thu bên thu (có tính đến suy hao đường truyền môi trường nước, nhiễu màu), từ tính thông lượng hệ thống CR; Tuy đóng góp tác giả chưa nhiều cũng 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 hệ thống MIMO - Có thể xem xét ảnh hưởng yếu tố khác đến phân bổ công suất cho CR (như độ sâu,các loại suy hao khác môi trường nước, ) - Nghiên cứu thêm thuật toán cấp phát số sóng mang con, cũng tối ưu vấn đề cấp phát công suất cho CR Tác giả xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình TS.Nguyễn Quốc Khương, thầy cô khoa Điện tử-Viễn thông bạn bảo giúp đỡ đóng góp ý kiến giúp tác giả hoàn thành luận văn 78 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 [10] M Stojanovic, “Efficient Processing of Acoustic Signals for High Rate Information Transmission over Sparse Underwater Channels”, to appear, Elsevier J.Physical Commun 79 [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 LpNorm 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 [14] Jordi Ribas, “Underwater Wireless Video Transmission using Acoustic OFDM”, Massachusetts Institute of Technology, 2009 [15] Chengsheng Pan, Liangchen Jia, Ruiyan Cai and Yuanming Din, “MODELING AND SIMULATION UNDERWATERCOMMUNICATION OF NETWORK”, CHANNEL ICIC FOR International c ⃝2012 ISSN [16] Underwater Acoustics: Noise and the Effects on Marine Mammals A Pocket Handbook 3rd Edition Compiled by Christine Erbe 80 ... sử dụng ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức truyền dẫn, chức công nghệ vô tuyến nhận thức  Chương 3: Xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm Trong chương đề cập... trò hệ thống thông tin thủy âm, đặc tính sóng thủy âm đặc tính kênh truyền thủy âm  Chương 2: Giới thiệu công nghệ vô tuyến nhận thức Trình bày ngắn gọn tảng công nghệ sử dụng ứng dụng công nghệ. .. nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm Nội dung luận văn bao gồm phần :  Giới thiệu chung  Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin nước Tổng quan mạng hệ thống thông tin nước,