Mô hình kênh truyền dưới nước

Luận Văn Tốt Nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM ANH TUẤN MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN DƢỚI NƢỚC Chun ngành : KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC HÀ NỘI – 2015 Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: Luận Văn Tốt Nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Trên giới nay, truyền thông nước ngày nghiên cứu sâu để áp dụng cho nhiều mục đích khác thực tế, thăm dò tài nguyên biển, định vị dẫn đường biển, cho liên lạc quân biển … Trên giới vậy, Việt Nam với đường bờ biển trải dài vài nghìn ki lơ mét, dù mục đích có thăm dò tài nguyên biển, định vị dẫn đường biển hay mục đích quân đáng quan tâm Khi nghiên cứu, xem xét mơ hình kênh truyền thơng tin nước, có nhiều đặc tính, thơng số mơi trường đặc thù, ảnh hưởng lên kênh truyền khác hẳn với môi trường không gian tự Thế nhìn chung, từ kiến thức thông tin vô tuyến đồ sộ dựa vào ta có để xác định phương pháp nghiên cứu, xác định tiêu chí đánh giá, áp dụng vào phân tích đặc tính kênh truyền nước, ta đưa mơ hình kênh truyền phục vụ cho khảo sát, nghiên cứu, tính tốn để tiến gần đến mơ hình thực tế Dưới hướng dẫn tận tình PGS.TS Nguyễn Văn Đức – người có nhiều năm nghiên cứu lĩnh vực Em cung cấp điều kiện sở định, để tự tin bước vào thực luận văn Mặc dù tính vấn đề nhắc đến nghiên cứu theo thiên hướng khoa học, nhìn chung luận văn em dừng lại tìm tịi, liệt kê tìm hiểu mà giới làm nghiên cứu lĩnh vực này, sau tóm lược lại, xây dựng mơ hình cụ thể, mơ tính tốn phần mềm Matlab Em biết ơn công lao dạy, hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Đức, qua thầy em biết cách tìm hiểu sở lý thuyết, tiếp cận vấn đề, xác định ý tưởng thực ý tưởng Em Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: Luận Văn Tốt Nghiệp biết ơn công lao dạy tất thầy, q trình tham gia học tập Thạc Sỹ trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, thầy, cô vừa trực tiếp vừa gián tiếp tạo điều kiện giúp đỡ em suốt thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Học viên: Phạm Anh Tuấn Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: Luận Văn Tốt Nghiệp MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA….………………………………………………………… …1 LỜI NĨI ĐẦU MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG 10 DANH MỤC HÌNH VẼ 11 MỞ ĐẦU 14 + Lý chọn đề tài 14 + Lịch sử nghiên cứu 14 + Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 14 + Mục tiêu đề tài 15 + Phƣơng pháp nghiên cứu 15 + Nội dung luận văn .15 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT CÁC MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN DƢỚI NƢỚC 17 1.1 Lựa chọn sóng mang cho kênh truyền dƣới nƣớc 17 1.1.1 Sóng điện từ nói chung 17 1.1.2 Sóng âm 17 1.1.3 Kết luận 19 1.2 Kênh nƣớc nông 19 1.3 Kênh nƣớc sâu 19 1.3.1 Kênh âm ngầm 19 1.3.2 Kênh âm mặt 24 1.3.3 Kênh âm ngầm với trục 25 1.4 Mơ hình kênh OFDM băng rộng 26 CHƢƠNG XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TUYẾN TRUYỀN DẪN 28 2.1 Đặc tuyến suy hao theo tần số, khoảng cách 28 Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: Luận Văn Tốt Nghiệp 2.1.1 Suy hao kênh truyền dƣới nƣớc 28 2.1.2 Suy hao kênh truyền dựa mơ hình sở hình học 29 2.2 Đặc tuyến hàm công suất trễ 31 2.2.1 Hàm tự tƣơng quan đáp ứng xung kênh vô tuyến 31 2.2.2 Hàm công suất trễ kênh (Power delay profile of the channel) 31 2.2.3 Xác định hàm công suất trễ kênh truyền âm dƣới nƣớc cho mơ hình thí nghiệm 32 CHƢƠNG XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TUYẾN NHIỄU .35 3.1 Nhiễu màu kênh truyền âm dƣới nƣớc .35 3.2 Mơ hình 1/fβ 35 3.3 Tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) thu 39 CHƢƠNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 43 4.1 Hàm tƣơng quan thời gian, tần số mơ hình kênh 43 4.1.1 Hàm tƣơng quan thời gian, tần số mơ hình mơ (mơ hình kênh OFDM băng rộng dựa mơ hình tán xạ hình học) 43 4.1.2 Hàm tƣơng quan thời gian, tần số mô hình thí nghiệm 44 4.1.3 Ƣớc lƣợng tham số mơ hình mơ phƣơng pháp LpNorm cải tiến… 46 4.2 Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh 48 4.2.1 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng bình phƣơng tối thiểu (LSE) 48 4.2.2 Phƣơng pháp ƣớc kênh thƣa (SCE) 50 4.3 Hệ thống thông tin liên lạc dƣới nƣớc OFDM băng rộng dùng cho mô 52 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 55 5.1 Kết đạt đƣợc: 55 5.1.1 Xác định PDP hàm mật độ phổ cơng xuất Doppler từ mơ hình thực nghiệm 55 5.1.2 Xác định hàm tƣơng quan thời gian, tần số mơ hình mơ mơ hình thí nghiệm 56 Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: Luận Văn Tốt Nghiệp 5.1.3 Xác định mật độ phổ công xuất nhiễu 58 5.1.4 Xác định tỉ lệ lỗi khung SER theo phƣơng pháp ƣớc lƣợng LSE SCE 59 a So sánh ƣớc lƣợng LSE SCE điều chế BPSK QPSK 61 b So sánh ƣớc lƣợng LSE SCE điều chế 8QAM 8PSK 62 c So sánh ƣớc lƣợng LSE SCE điều chế 16QAM 16PSK63 d So sánh ƣớc lƣợng LSE điều chế BPSK, QPSK, 8PSK 16PSK 64 e So sánh ƣớc lƣợng SCE điều chế BPSK, QPSK, 8PSK 16PSK 65 f So sánh ƣớc lƣợng LSE điều chế 4QAM, 8QAM 16QAM66 g So sánh ƣớc lƣợng SCE điều chế 4QAM, 8QAM 16QAM 67 5.1.5 Đánh giá băng thông phù hợp, theo phƣơng pháp ƣớc lƣợng LSE SCE 68 a So sánh ƣớc lƣợng LSE SCE điều chế BPSK với băng thông B = 1kHz, B = 2kHz B = 3kHz 68 b So sánh ƣớc lƣợng LSE SCE điều chế QPSK với băng thông B = 1kHz, B = 2kHz B = 3kHz 69 c Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thông, với ƣớc lƣợng LSE SCE, điều chế BPSK với giá trị SNR cụ thể, ví dụ SNR = 5dB 70 d Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thông, với ƣớc lƣợng LSE SCE, điều chế QPSK với giá trị SNR cụ thể, ví dụ SNR = 5dB 71 5.2 Hƣớng phát triển cho tƣơng lai 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: Luận Văn Tốt Nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực tham khảo có dẫn chứng cụ thể Những đánh giá, nhận xét cá nhân đưa từ nghiên cứu lý thuyết thực hành, có mơ phần mềm Matlab Học viên: Phạm Anh Tuấn Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: Luận Văn Tốt Nghiệp DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ gốc Dịch nghĩa UAC Underwater Acoustic Channel Kênh thông tin nước QPSK Quadrature Phase Shift Keying PSK Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vng góc Orthogonal Frequency Division Điều chế đa sóng mang Multiplexing trực giao ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi khung BER Bit error rate or bit error ratio Tỉ lệ lỗi bít FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh IFFT Inverse Fast Fourier Transform LSE Least Square Estimation SCE Sparse Channel Estimation Ước lượng kênh thưa CS Compressive Sensing Lây mẫu nén OFDM Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: Điều chế khóa dịch pha vng góc Biến đổi ngược Fourier nhanh Ước lượng bình phương tối thiểu Luận Văn Tốt Nghiệp OMP CoSaMP Orthogonal matching Pursuit Thuật toán tối ưu đuổi khớp Compressive Sampling Matched Thuật toán tối ưu đuổi khớp Pursuit lấy mẫu nén Phần mềm tối ưu hóa hàm CVX Convex optimization PDP Power Delay Profile LPNM Lp-Norm Method LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng TCF Time Correlation Functions Hàm tương quan thời gian FCF Frequency Correlation Functions Hàm tương quan tần số T-FCF AN factor Phạm Anh Tuấn lồi Hàm công xuất trễ Phương pháp tối ưu LpNorm Time And Frequency Correlation Hàm tương quan thời gian Functions tần số Attenuation Noise factor Hệ số nhiễu suy hao 12B_KTTT.KH Trang: Luận Văn Tốt Nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Hệ thống thông số kênh [5], [14] 33 Bảng 5.1 Thông số hệ thống OFDM băng rộng dùng cho mô 60 Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 10 Luận Văn Tốt Nghiệp Thông số Giá trị Tần số sóng mang 19kHz Tần số Doppler max 12Hz Tốc độ âm 1500 m/s Số sóng mang phụ 64 Chiều dài khoảng bảo vệ 16 ký hiệu Tỉ lệ chèn ký hiệu Pilot vào liệu 34% Số khung 100 Bảng 5.1 Thông số hệ thống OFDM băng rộng dùng cho mô Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 60 Luận Văn Tốt Nghiệp a So sánh ƣớc lƣợng LSE SCE điều chế BPSK QPSK Hình 5.7 Ước lượng LSE SCE điều chế BPSK QPSK Như thể hình 5.7 Tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE cao so với SCE điều chế BPSK QPSK Đồng thời tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE SCE điều chế BPSK thấp so với QPSK Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 61 Luận Văn Tốt Nghiệp b So sánh ƣớc lƣợng LSE SCE điều chế 8QAM 8PSK Hình 5.8 Ước lượng LSE SCE điều chế 8QAM 8PSK Như thể hình 5.8 Tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE cao so với SCE điều chế 8QAM 8PSK Đồng thời tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE SCE điều chế 8QAM thấp so với 8PSK Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 62 Luận Văn Tốt Nghiệp c So sánh ƣớc lƣợng LSE SCE điều chế 16QAM 16PSK Hình 5.9 Ước lượng LSE SCE điều chế 16QAM 16PSK Như thể hình 5.9 Tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE cao so với SCE điều chế 16QAM 16PSK Đồng thời tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE SCE điều chế 16QAM thấp so với 16PSK Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 63 Luận Văn Tốt Nghiệp d So sánh ƣớc lƣợng LSE điều chế BPSK, QPSK, 8PSK 16PSK Hình 5.10 Ước lượng LSE điều chế BPSK, QPSK, 8PSK 16PSK Như thể hình 5.10 Tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE tăng dần hệ số điều chế tăng dần từ BPSK đến QPSK, 8PSK 16PSK Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 64 Luận Văn Tốt Nghiệp e So sánh ƣớc lƣợng SCE điều chế BPSK, QPSK, 8PSK 16PSK Hình 5.11 Ước lượng SCE điều chế BPSK, QPSK, 8PSK 16PSK Như thể hình 5.11 Tỉ lệ lỗi SER ước lượng SCE tăng dần hệ số điều chế tăng dần từ BPSK đến QPSK, 8PSK 16PSK Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 65 Luận Văn Tốt Nghiệp f So sánh ƣớc lƣợng LSE điều chế 4QAM, 8QAM 16QAM Hình 5.12 Ước lượng LSE điều chế 4QAM, 8QAM 16QAM Như thể hình 5.12 Tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE tăng dần hệ số điều chế tăng dần 4QAM đến 8QAM 16QAM Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 66 Luận Văn Tốt Nghiệp g So sánh ƣớc lƣợng SCE điều chế 4QAM, 8QAM 16QAM Hình 5.13 Ước lượng SCE điều chế 4QAM, 8QAM 16QAM Như thể hình 5.13 Tỉ lệ lỗi SER ước lượng SCE tăng dần hệ số điều chế tăng dần từ 4QAM đến 8QAM 16QAM Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 67 Luận Văn Tốt Nghiệp 5.1.5 Đánh giá băng thông phù hợp, theo phƣơng pháp ƣớc lƣợng LSE SCE a So sánh ước lượng LSE SCE điều chế BPSK với băng thông B = 1kHz, B = 2kHz B = 3kHz Hình 5.14 So sánh ước lượng LSE SCE điều chế BPSK với băng thông B = 1kHz, B = 2kHz B = 3kHz Như vậy, tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE SCE (xét trường hợp dùng điều chế BPSK) tăng dần hệ băng thông tăng từ 1kHz đến 2kHz 3kHz Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 68 Luận Văn Tốt Nghiệp b So sánh ước lượng LSE SCE điều chế QPSK với băng thông B = 1kHz, B = 2kHz B = 3kHz Hình 5.15 So sánh ước lượng LSE SCE điều chế QPSK với băng thông B = 1kHz, B = 2kHz B = 3kHz Như vậy, tỉ lệ lỗi SER ước lượng LSE SCE (xét trường hợp dùng điều chế QPSK) tăng dần hệ băng thông tăng từ 1kHz đến 2kHz 3kHz Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 69 Luận Văn Tốt Nghiệp c Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thông, với ước lượng LSE SCE, điều chế BPSK với giá trị SNR cụ thể, ví dụ SNR = 5dB Hình 5.16 Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thông, với ước lượng LSE SCE, điều chế BPSK SNR = 5dB Như vậy, tỉ lệ lỗi SER tăng băng thông tăng, với ước lượng LSE SCE điều chế BPSK lựa chọn giá trị SNR cụ thể (Ví dụ SNR = 5dB) Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 70 Luận Văn Tốt Nghiệp d Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thông, với ước lượng LSE SCE, điều chế QPSK với giá trị SNR cụ thể, ví dụ SNR = 5dB Hình 5.17 Đặc tuyến SER phụ thuộc vào băng thông, với ước lượng LSE SCE, điều chế QPSK SNR = 5dB Như vậy, tỉ lệ lỗi SER tăng băng thông tăng, với ước lượng LSE SCE điều chế QPSK lựa chọn giá trị SNR cụ thể (Ví dụ SNR = 5dB) 5.2 Hƣớng phát triển cho tƣơng lai Ta thực phép chèn thêm liệu, có nhiệm vụ đảo vị trí liệu đầu vào để sửa sai q trình truyền dẫn Tương ứng phía thu ta phải có khối giải chèn làm nhiệm vụ ngược lại Đây phương pháp để sửa sai trình truyền dẫn mà phát truyền hình số dùng OFDM thường hay sử dụng Ta phát triển luận văn theo hướng sử dụng nhiều phương pháp Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 71 Luận Văn Tốt Nghiệp ước lượng kênh khác nhau, để đánh giá băng thông, đánh giá tỉ lệ lỗi SER hay đánh giá thêm thông số khác hệ thống Bên cạnh đó, ta thiết kế mơ hình kênh truyền âm biển để có khảo sát mở rộng ảnh hưởng thông số lên kênh truyền phức tạp Mơi trường biển nước có độ mặn ảnh hưởng sóng gió hay di chuyển sinh vật, tàu thuyền nhiều Song song với đó, ta tham khảo nhiều mơ hình thí nghiệm khác để so sánh với mơ hình mơ ước lượng thơng số kênh xác Ngoài hướng nghiên cứu phát triển đề cập trên, có hướng nghiên cứu phát triển khác mà nhiều lý em chưa tiếp cận Đây mục tiêu tương lai, mà có điều kiện em tiếp tục nghiên cứu để đề tài ngày hoàn thiện Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 72 Luận Văn Tốt Nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hagmann, Elias (Spring Term 2009), “Design of a High Speed, Short Range Underwater Communication System”, Part I - Electronic Concept and Simulation of the Acoustic Underwater Channel [2] Phạm Văn Huấn, biên dịch “Cơ Sở Âm Học Đại Dương”, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội 2005 [3] Ruoyu Su, R Venkatesan, and Cheng Li , 2010, A review of channel modeling techniques for underwater acoustic communications, NECEC 2010 [4] Meisam Naderi, Matthias Patzold, and Alenka G.Zajic, 2014, A Geometry-Based Channel Model for Shallow Underwater Acoustic Channels Under Rough Surface and Bottom Scattering Conditions [5] Van Duc Nguyen, Viet Ha Do, “Using geometry-based shallow underwater acoustic channel model for simulating Baymau Lake’s channel in Hanoi”, ComNavi 2014 in Ha Noi [6] 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 [7] L.Berkhovskikh and Y.Lysanov, “Fundamentals of Ocean Acoustics” New York: Springer, 1982 [8] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, tập 4, NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội January 2007 [9] L Zão and R Coelho, Member, IEEE, “Colored Noise Based Multicondition Training Technique for Robust Speaker Identification”, IEEE signal processing letters, vol 18, No 11, November 2011 [10] Sehgal, A (2009), “Analysis & Simulation of the Deep Sea Acoustic Channel for Sensor Networks”, JacobsUniversity [11] Biao Wang and Yan Chen, 2013 “Sparse Underwater Acoustic Channel Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 73 Luận Văn Tốt Nghiệp Estimation Based on Compressive Sensing” Information Technology Journal, 12: 1040-1044 [12] Michael C.Grant, Stephen P.Boyd, January 09, 2015 “ The CVX Users’ Guide”, Release 2.1 CVX Research, Inc [13] Brekhovskikh l M., lyzanov iu P (2003), “Fundamentals of ocean acoustics (third edition)” [14] Ho Hoa, Van Duc Nguyen, Quang Hong Nguyen, Khuong Nguyen Quoc, Minh Phan Van, “An Analysis of Shallow Underwater Acoustic Channel Measurements in Hanoi’s Areas”, The first NAFOSTED National Conference on Information and Computer Science, pp.349-358 March 13-14, 2014 [15] Jin Xinzhu, “Channel Estimation Techniques of SC-FDMA”, Karlstad University, 2007 Phạm Anh Tuấn 12B_KTTT.KH Trang: 74 ... SÁT CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN DƢỚI NƢỚC 1.1 Lựa chọn sóng mang cho kênh truyền dƣới nƣớc Trước vào khảo sát mơ hình kênh truyền nước, có vấn đề đặt loại sóng mang sử dụng cho thông tin nước loại... Nghiệp Hình 1.9 Kênh âm hai trục: [2], [13] (a) Hình dạng c( z) , (b) sơ đồ tia 1.4 Mơ hình kênh OFDM băng rộng Có nhiều mơ hình cho kênh truyền âm nước, là: [3] - Mơ hình theo lý thuyết tia - Mơ hình. .. [6] 2.1.2 Suy hao kênh truyền dựa mô hình sở hình học Trong kênh truyền dựa sở hình học, hệ số suy hao trải hình cầu là: [4], [5] Trong D tổng khoảng cách truyền theo mét Như mơ hình, D tính sau: