Luận án tiến sĩ mô hình đặc tính kênh truyền cho thông tin thủy âm vùng nước nông (tt0

Hiện nay có hai phươngpháp chính để xây dựng các bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm là: phươngpháp dựa trên mô hình hình học và phương pháp dựa trên dữ liệu đo.Các bộ mô phỏng dựa trên mô h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ VIỆT HÀ

MÔ HÌNH ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN

CHO THÔNG TIN THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 62520208

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2017

Công trình này được hoàn thành tạiTrường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường

họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

vào hồi giờ, ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

án tập trung vào hai mục tiêu là mô hình kênh và phân tích hiệu năng hệthống thông tin thủy âm.

2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong vài thập kỷ qua, có rất nhiều mô hình kênh thủy âm đã được đềxuất nhưng hiện vẫn chưa có một mô hình kênh tiêu chuẩn nào có thể ápdụng chung cho tất cả các kênh thủy âm do sự khác biệt trong điều kiệnđịa lý, thời tiết và theo mùa [24, 70, 73, 88, 93, 96] Hiện nay có hai phươngpháp chính để xây dựng các bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm là: phươngpháp dựa trên mô hình hình học và phương pháp dựa trên dữ liệu đo.Các bộ mô phỏng dựa trên mô hình hình học sẽ dùng mô hình với cácyếu tố hình học để xác định các tham số của mô hình kênh truyền MãBellhop là một ví dụ điển hình cho phương pháp này, xây dựng mô hìnhkênh thủy âm dùng lý thuyết tia nhưng không xét đến sự biến đổi ngẫunhiên của kênh [75] Để khắc phục, một số nghiên cứu dựa trên mô hìnhBellhop kết hợp với điều kiện môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ và độmặn [89], tốc độ gió [28], hình dạng của bề mặt nước [37] Một cách khác

để xây dựng bộ mô phỏng kênh dựa trên mô hình hình học là kết hợp lýthuyết tia với các phương pháp thống kê để mô tả môi trường truyền sóngthủy âm [13, 17, 27, 55, 73, 75, 103, 104] Phương pháp này có ưu điểm là

mô tả được kênh một cách tổng quát với số lượng ít các tham số cần ướclượng và có khả năng mở rộng theo các tham số hình học, điều kiện môitrường; do đó thường được dùng cho mục đích nghiên cứu tham số [55].Nhược điểm của nó là kênh mô phỏng tạo ra rất khó trùng khớp với kênhthực tế trong một thời điểm cụ thể do khó xác định chính xác các tham sốcủa môi trường nước nông.

Phương pháp mô hình kênh dựa trên dữ liệu đo được xây dựng từ sốliệu đo kênh thủy âm của một vùng cụ thể [24, 74, 76, 85, 105] Bộ môphỏng kênh truyền dựa trên dữ liệu đo không yêu cầu các tham số vật lýđầu vào vốn rất khó có thể xác định chính xác theo thời gian Ưu điểm nổibật nữa của phương pháp này là kênh mô phỏng tạo ra tái tạo rất chínhxác kênh thực tế Nhược điểm của phương pháp này là nó chỉ áp dụng chomột môi trường ở một thời điểm nhất định theo kênh đo đạc Ngoài ra, cần

áp dụng các thuật toán tối ưu để ước lượng một số lượng lớn các tham sốkhiến độ phức tạp trong tính toán của phương pháp này lớn hơn phươngpháp dùng mô hình hình học Tuy nhiên, để triển khai và tối ưu hệ thốngthực tế thì việc đo kênh là bắt buộc

Tại Việt nam, mặc dù nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin thủy âmtăng nhanh trong quốc phòng và thương mại, tuy nhiên không có nhiềunghiên cứu về thông tin thủy âm, đặc biệt là trong lĩnh vực mô hình kênh[2, 3, 6] Trong các nghiên cứu [1, 4, 5, 7, 8], một số đặc tính truyền sóngthủy âm được khảo sát nhưng chưa đưa ra một mô hình kênh toàn diện.Trong [6], các tác giả mô phỏng kênh tia truyền sóng âm qua việc giải hệphương trình Eikonal với các đầu vào là các tham số môi trường Các tham

số này rất khó xác định chính xác do tính phức tạp của môi trường truyềnsóng thủy âm Thêm vào đó, các tia sóng âm được mô phỏng không phảnánh được tính biến động theo thời gian, do đó khó có thể áp dụng để môhình kênh thủy âm trong thực tế trong hầu hết các trường hợp

3 Mục tiêu của luận án

Luận án tập trung vào việc xây dựng các phương pháp hiệu quả và đủchính xác để thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm dựa trên dữ liệu đo đạctrong môi trường nước nông Mô hình mô phỏng này sẽ được dùng trongviệc khảo sát chất lượng hệ thống thông tin thủy âm dùng kỹ thuật ghép

2

kênh đa sóng mang trực giao OFDM.

4 Động lực nghiên cứu

Hai phương pháp thiết kế các bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm, phươngpháp dùng mô hình hình học và dùng dữ liệu đo kênh, đều có những ưunhược điểm nhất định Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng để chọn phươngpháp thiết kế Trong luận án này, tác giả tập trung vào phương pháp dùng

dữ liệu đo để xây dựng các bộ mô phỏng kênh phục vụ cho việc tối ưu vàtriển khai hệ thống thực tế Độ phức tạp trong tính toán số lượng lớn cáctham số của phương pháp này là động lực để luận án đề xuất một phươngpháp thiết kế nhằm giảm độ phức tạp tính toán đồng thời vẫn mô tả đượckênh thủy âm thực tế

Bên cạnh đó, để thiết kế và khảo sát chất lượng hệ thống thông tin thủy

âm, cần dựa trên việc phân tích các hàm đặc trưng cho kênh thủy âm gồmcác hàm tương quan, mật độ phổ công suất Doppler (PSDs) và hàm côngsuất trễ (PDP) [55, 56] Trong thực tế, các nghiên cứu về phổ Doppler lạirất hạn chế [94, 101] mặc dù nó đóng vai trò quan trọng trong việc đánhgiá hệ thống thông tin thủy âm Đó chính là động lực cho việc phân tích

và đề xuất một mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm vùng nước nông,nơi có hiệu ứng Doppler mạnh do sự nhiễu động của bề mặt

Một nhiệm vụ quan trọng nữa là việc phân tích và đánh giá chất lượng

hệ thống thông tin (HTTT) thủy âm Trong đó, kỹ thuật ghép kênh đa sóngmang trực giao OFDM được áp dụng rộng rãi trong HTTT thủy âm vì nóloại bỏ được nhiễu liên ký tự (ISI) [10, 22, 42, 68, 86] đồng thời làm tănghiệu quả phổ so với hệ thống đơn sóng mang Tuy nhiên hệ thống OFDMlại rất nhạy với dịch tần Doppler do các sóng mang sẽ mất tính trực giao vàtạo nhiễu liên kênh ICI Một số nghiên cứu dựa vào giả thiết phổ Dopplerdạng phổ Jake, phổ phân bố đều hoặc phổ hai đường [9, 22, 47, 86] để phântích ảnh hưởng của nhiễu ICI lên chất lượng hệ thống Tuy nhiên các giảthiết này chưa được xác nhận tính đúng đắn Luận án sẽ xem xét ảnhhưởng của nhiễu ICI bằng cách sử dụng bộ mô phỏng kênh dựa trên dữliệu đo, phản ảnh đầy đủ các tính chất thực tế của kênh thủy âm thực tế.Hơn nữa, nhiễu trong HTTT thủy âm sẽ được xét là nhiễu màu chứ khôngcoi là nhiễu trắng Và hai loại nhiễu này sẽ được cùng xem xét để đánh

giá tác động tổng hợp của chúng lên chất lượng hệ thống thủy âm OFDM,khác với một số nghiên cứu hiện nay chỉ xét một trong 2 loại nhiễu nàyhoặc coi nhiễu môi trường là nhiễu trắng [9, 22, 86].

5 Đóng góp của luận án

Luận án tập trung vào việc phân tích các phương pháp mô hình kênh truyềnthủy âm vùng nước nông và khảo sát chất lượng HTTT thủy âm, các đónggóp chính của luận án như sau:

1 Đề xuất phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm đơn giảntrong tính toán và mô tả được các đặc tính của kênh thủy âm đođạc trong thực tế Đóng góp này được trình bày trong [J2], bộ môphỏng kênh theo phương pháp hình học được ứng dụng trong [C1],theo phương pháp dựa trên dự liệu đo trong [J1],[J2]

2 Phân tích cơ sở lý thuyết hiệu ứng Doppler trong thông tin dưới nước

từ cả 2 nguyên nhân: sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máyphát, sự dịch chuyển phức tạp của mặt nước Từ đó, đề xuất một môhình phổ Doppler cho kênh thủy âm và xác nhận tính chính xác của

nó thông qua dữ liệu đo phổ Doppler thực tế Đóng góp này đượccông bố trong [J3]

3 Thực hiện phân tích nhiễu ICI kết hợp với nhiễu môi trường đếnHTTT thủy âm dùng kênh mô phỏng dựa trên dữ liệu đo Dựa trêncác kết quả phân tích tỷ số SIR, SINR và dung lượng kênh, các thông

số thích hợp cho HTTT thủy âm được xác định Các kết quả này rất

có ích trong việc lựa chọn các tham số tối ưu trong thiết kế HTTTthủy âm Nội dung của các đóng góp này được công bố trong [J1],[C1] và [C2]

Chương 1

THIẾT KẾ BỘ MÔ PHỎNG KÊNH THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG

Chương này phân tích các phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy

âm và đề xuất một phương pháp hiệu quả có độ chính xác cao, đồng thờigiảm độ phức tạp trong tính toán Ưu điểm chính của phương pháp đề xuất

là các tham số của mô hình kênh được trích xuất trực tiếp từ dữ liệu đo

1.1 Mô hình mô phỏng

Để mô tả các kênh phức tạp như kênh thủy âm nước nông, mô hình kênhbăng rộng không tương quan dạng tổng các hàm sin phức (SOCUS) đượcdùng phổ biến [38, 56] Đáp ứng xung (TVCIR) của mô hình kênh này nhưsau [62]

trong đó L là số các đường truyền sóng có trễ truyền lan τl khác nhau, Nl

là số các đường truyền có cùng trễ truyền lan τl Mỗi thành phần thứ ncủa đường truyền thứ l được đặc trưng bằng biên độ cn,l, tần số Doppler

fn,l và pha θn,l

Giả thiết mô hình kênh dừng theo nghĩa rộng, hàm tương quan thời

gian tần số T-FCF được tính như sau [62]:

1.2 Đề xuất phương pháp thiết kế cho kênh tĩnh

Hình 1.10: Lưu đồ thực hiện phương pháp đề xuất cho thiết kế bộ mô

phỏng kênh tĩnh (máy thu phát cố định)

Các bước thiết kế trong lưu đồ Hình 1.10 được mô tả như sau:

• Bước 1: Dựa vào dữ liệu đo kênh thực tế, hàm PDP ˆρ (τl), với l =

0, 1, , L − 1, được xác định

• Bước 2: Mô hình mô phỏng của phương pháp đề xuất dùng mô hìnhSOCUS, phù hợp để thiết kế các bộ mô phỏng dựa trên dữ liệu đo.Với trường hợp kênh tĩnh, máy thu phát cố định nên không có dịchtần Doppler Do đó, đặc tính thống kê của kênh được mô tả bằng

6

hàm tương quan tần số FCF RHH(∆f ) như sau:

với L được lấy trực tiếp từ PDP đo được

• Bước 3: Xác định các tham số cho mô hình kênh mô phỏng Trễtruyền dẫn τl , với l = 0, 1, , L − 1, được trích trực tiếp từ PDP đođược ˆρ (τl), trong khi biên độ của mỗi đường cn,l được tính từ PDPˆ

ρ (τl) như sau:

cn,l=pρ (τˆ l), (1.4)với n = 1, 2, , Nl Số lượng các thành phần Nlcủa mỗi đường truyền,với l = 0, 1, , L − 1, được lấy trực tiếp từ TVCIR ˆh (τl, t) đo được.Tóm lại, toàn bộ các thông số của mô hình đề xuất đều được lấy từ dữliệu đo (hàm trễ công suất PDP của kênh thủy âm thực tế) mà không cần

áp dụng một phương pháp tính toán tối ưu nào

∆ f [Hz]

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Reference model Measurement-based simulation model Geometry-based simulation model The proposed simulation model

Hình 1.11: So sánh giữa hàm tương quan tần số FCF của kênh đo thực

tế và của các phương pháp mô phỏng

Để đánh giá tính chính xác của bộ mô phỏng đề xuất, hàm tương quantần số FCF của mô hình mô phỏng thu được bằng phương pháp dựa trên

Bảng 1.2: So sánh các phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âmPhương pháp Dựa trên mô

hình hình học

Dựa trên dữ liệu

đo

Phương pháp đềxuấtYêu cầu các

Hàm PDP đođược của kênhthực tế

Hàm PDP đođược của kênhthực tế

Số lượng các

tham số kênh cần

ước lượng

Vị trí các điểmphản xạnxopti,no

Tham số của cácđường truyền L ×

Nl×ncoptn,l, τlopt

o NoneSai số MSE 0.3824 1.2607 × 10−16 1.5010 × 10−16

dữ liệu đo truyền thống và phương pháp đề xuất sẽ được so sánh với nhaunhư trên Hình 1.11 Ta có thể thấy bộ mô phỏng đề xuất mô tả chính xáckênh đo được Để so sánh các phương pháp, ta tính sai số trung bình bìnhphương (MSE: Mean Square Error) của hàm FCF mô phỏng với hàm FCFthực tế của kênh Kết quả MSE và so sánh các yếu tố khác giữa các phươngpháp vừa phân tích được liệt kê trong Bảng 1.2 Ta thấy phương pháp đềxuất có độ chính xác khá cao Do đó có thể sử dụng tin cậy để mô phỏngkênh thủy âm Cần nhấn mạnh rằng, phương pháp đề xuất không cần ápdụng một phương pháp tính toán tối ưu nào để xác định tham số như haiphương pháp hiện tại (dựa trên mô hình hình học và dữ liệu đo truyềnthống).

1.3 Đề xuất phương pháp thiết kế cho kênh động

Phần này đề xuất một phương pháp thiết kế hiệu quả để thiết kế bộ môphỏng cho trường hợp kênh động, nghĩa là có sự dịch chuyển giữa máy thuphát và có hiệu ứng Doppler Trong phương pháp đề xuất, chỉ có tần sốDoppler của mỗi đường truyền là cần ước lượng bằng cách áp dụng thuậttoán tối ưu, trong khi các tham số khác như biên độ và trễ truyền dẫn củamỗi đường truyền sẽ được lấy trực tiếp từ dữ liệu đo Do đó, số lượng cáctham số cần ước lượng sẽ giảm đi đáng kể Các bước thực hiện thiết kế

bộ mô phỏng kênh thủy âm theo phương pháp đề xuất được minh họa trênHình 1.15, cụ thể như sau:

• Bước 1: Dựa trên dữ liệu đo, hàm công suất trễ PDP ˆρ (τl) và phổDoppler ˆS (f ) của kênh đo được xác định Từ đó, hàm tương quanthời gian TCF ˆRHH(∆t) của mô hình tham chiếu được lấy bằng biếnđổi Fourier ngược của phổ Doppler đo được ˆS (f )

• Bước 2: Mô hình kênh mô phỏng được chọn là mô hình SOCUS vớipha θn,l ngẫu nhiên; còn các thành phần biên độ cn,l, trễ truyền dẫn

τl, tần số Doppler fn,l và số các thành phần Nl có cùng trễ τl là xácđịnh Đặt ∆t = 0 của hàm T-FCF RHH(∆f, ∆t), hàm tương quan

Hình 1.15: Lưu đồ thực hiện phương pháp đề xuất cho trường hợp kênh

động (máy thu dịch chuyển)

tần số FCF của mô hình mô phỏng RHH(∆f ) được tính bởi

với l = 0, 1, , L − 1 và Nl được chọn bằng với phương pháp truyềnthống để dễ so sánh độ phức tạp tính toán.

Do đó, hàm FCF của mô hình mô phỏng được tính từ các thông sốxác định {Nl, cn,l, τl} theo (1.5)

• Bước 4: Thuật toán tối ưu LPNM được áp dụng để ước lượng cáctham số của bộ mô phỏng Trong phương pháp đề xuất, chỉ có tần sốDoppler fn,l của các đường truyền là cần phải ước lượng bằng cáchtối thiểu hóa hàm sau:

E =



1

, (1.8)

với RHH(∆t) và ˆRHH(∆t) lần lượt là hàm TCF của mô hình môphỏng và mô hình tham chiếu Biến thời gian ∆t được lấy theo dữliệu đo

Ta thấy tập các tham số kênh {Nl, cn,l, fn,l, τl} đã được xác định với sốtham số cần ước lượng giảm đi Cụ thể là trong phương pháp đề xuất, sốlượng các tham số cần ước lượng là L × Nl thì trong phương pháp truyềnthống là 3 × L × Nl Do đó, độ phức tạp trong tính toán giảm còn một phần

ba so với phương pháp truyền thống

Để đánh giá chất lượng của phương pháp đề xuất, ta so sánh tính chấtthống kê của nó với kênh đo được Hình 1.17 thể hiện hàm tương quan tầnsố-thời gian TFCF của mô hình tham chiếu và mô hình mô phỏng Ta thấyhai hàm này khá phù hợp, nói cách khác mô hình mô phỏng có thể tái tạolại kênh thủy âm thực tế đo được

1.5 1

0.5 0

∆ t [s]

-0.5 -1

-1.5 -800 -600 -400

∆ f [Hz]

-200 0 200 400 600

0.8 1

0.6

0.4

0.2

0 800

Chương 2

MÔ HÌNH PHỔ CÔNG SUẤT DOPPLER CHO KÊNH THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG

2.1 Đề xuất mô hình phổ Doppler

Để phân tích lý thuyết hiệu ứng Doppler trong kênh thủy âm ta xem xét

mô hình hình học trong hệ tọa độ 3D cho môi trường nước nông Hình 2.1,

mô hình này được mở rộng từ mô hình 2D trong [55] Các điểm tán xạ

Si,n(n = 1, 2, , Ni và i = 1, 2) được giả sử là phân phối ngẫu nhiên trên

bề mặt (i = 1) và dưới đáy (i = 2) của môi trường nước nông Góc tới(AOA) của đường thứ n được ký hiệu là αi,n Trong kịch bản xem xét, máyphát Tx là cố định và máy thu Rx di chuyển với vận tốc VR theo hướngxác định bởi góc chuyển động αRV VS n là vận tốc chuyển động bề mặt củađiểm tán xạ S1,n trên bề mặt Mô hình phổ Doppler sẽ gồm hai thànhphần Doppler gây ra bởi dịch chuyển sóng bề mặt và gây ra bởi máy thuchuyển động

Mô hình cho thành phần Doppler do dịch chuyển sóng bề mặtĐiểm tán xạ từ sóng bề mặt có thể xảy ra theo 3 cơ chế khác nhau: tán

xạ Bragg, Burt (hay còn gọi là Spike) và Whitecap Mỗi cơ chế tán xạ vàphổ Doppler tạo ra bới các cơ chế đó góp phần vào tín hiệu tán xạ được

mô tả trong [98, 99, 100] Có một số mô hình toán học cho phổ Doppler

do sóng bề mặt gây ra được các tác giả Lee [45], Walker [98, 99], Ward vàcác cộng sự [100] đưa ra Trong số đó, mô hình Walker mô tả toàn bộ phổ