Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler cho hệ thống truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM

Giới thiệu chương

Cùng với các hệ thống truyền thông trên mặt đất, hệ thống thông tin dưới nước ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống. Tuy nhiên, do những tính chất của môi trường nên hệ thống thông tin thủy âm có nhiều điểm khác biệt với hệ thống thông tin thông thường sử dụng sóng vô tuyến trên mặt đất.

Đặc điểm hệ thống truyền thông tin dưới nước

Hệ thống thông tin dưới nước [6,8] đã được nghiên cứu từ rất nhiều thập kỉ trước trên thế giới.

Hệ thống truyền thông tin dưới nước

Các thiết bị tự động dưới nước di chuyển với tốc độ khoảng vài m/s, tuy nhiên kể cả khi không có những chuyển động thì những ảnh hưởng như sự trôi dạt gây nên bởi sóng, thủy triều cũng luôn tồn tại. Với hệ thống thông tin dưới nước, ảnh hưởng của dịch chuyển Doppler lên mỗi sóng mang con là khác nhau đáng kể, điều này gây nên méo Doppler không động bộ trên toàn bộ băng thông tín hiệu.

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) trong môi trường dưới nước

• Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM

Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Đối với hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật OFDM thì việc đồng bộ chính xác lại càng trở nên quan trọng vì nó liên quan tới cửa sổ FFT sử dụng để giải điều chế tín hiệu và khả năng giảm nhiễu liên sóng mang ICI.

Sử dụng phương pháp điều chế khác tương đương kỹ thuật OFDM 1. Đặt vấn đề

Tiếp đó tín hiệu được chuyển đổi từ song song sang nối tiếp và đưa tới khối chèn khoảng bảo vệ để chống nhiễu ISI (Intersymbol Interference) rồi qua biến đổi số tương tự (DAC) tới transducer để phát đi dưới dạng tín hiệu sóng âm. Tuy nhiên mặc dù SC-FDMA có lợi hơn OFDMA về tỷ số PAPR nhưng với cùng các thông số điều chế như nhau cả về lý thuyết, mô phỏng và thực tế khi áp dụng trong môi trường truyền thông dưới nước thì trong cả hai trường hợp tín hiệu có cắt PAPR và không cắt PAPR thì hệ thống SC-FDMA đều cho chất lượng tín hiệu thu được kém hơn so với hệ thống OFDM.

Giới thiệu chương

Đồng bộ thời gian . Khái niệm

Để xác định điểm bắt đầu OFDM symbol, phương pháp này cơ bản được thực hiện giống với phương pháp Minn hay phương pháp Schmidl, chỉ khác một điều cấu trúc symbol huấn luyện S sẽ được chia thành bốn khoảng A, B, A*, B*, với A*, B* tương ứng là liên hợp phức của A, B,. Tuy nhiên, đặc điểm môi trường thủy âm là băng thông hạn chế, vì vậy các phương pháp này không phù hợp với kênh truyền dưới nước bởi khi chèn thêm symbol cấu trúc đặc biệt vào trước frame khiến một phần băng thông hệ thống bị chiếm dụng.

Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng khoảng bảo vệ GI

Do vậy tín hiệu sẽ được thực hiện điều chế trực tiếp tại băng tần cơ sở (baseband) mà không sử dụng điều chế IQ sau khi chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC) giống như thực hiện trong hệ thống truyền thông tin vô tuyến OFDM. K  (N 1) / 2 với N là độ dài FFT cũng là số sóng mang Sau khi điều chế M-QAM, khối Zeros Insertion sẽ chèn ký tự “0” vào tín hiệu để đảm bảo tín hiệu sẽ được truyền ở băng tần thiết kế cũng như chuyển đổi ký tự phức sang tín hiệu thực và đưa vào khối IFFT.

Giới thiệu chương

Đặc điểm của hiện tượng Doppler

Giả thiết rằng trên tất cả các đường truyền đều có chung một độ dịch tần Doppler, điều này dẫn tới một kết quả khá thú vị là ảnh hưởng không đồng nhất của dịch tần Doppler và fading lựa chọn tần số là phân biệt như được chỉ ra trong biểu thức ma trận bên dưới. (3.13) Bởi đường chéo chính của I lớn hơn nhiều các đường chéo khác và giá trị tuyệt đối của các thành phần trong I(k, l) suy giảm nhanh chóng khi rời xa đường chéo chính, do đó sẽ có nhiều cách khác nhau để tránh việc phải tìm ma trận nghịch đảo của I, ví dụ như phương pháp lặp Jacobi.

Đề xuất phương pháp bù dịch tần Doppler dựa trên chuỗi tín hiệu hình sin Thông tin dưới nước đang trở thành một trong những vấn đề được nhiều nhà

Ngoài ra việc sử dụng phương pháp này có khả năng xác định một cách gần chính xác độ lệch tần số Doppler của tín hiệu thu ngay từ bước đồng bộ thô do vậy ở bước đồng bộ tinh việc điều chỉnh tín hiệu dựa trên tính sai lệch góc pha của tín hiệu Pilot của các symbol và ở bước cuối cùng chỉ cẩn sử dụng thuật toán xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh chính xác chòm sao tín hiệu thu trong trường hợp vẫn chưa điều chỉnh hết độ lệch tần số. Nhược điểm của việc sử dụng sóng mang gắn thêm vào cuối của khung dữ liệu là làm giảm băng thông của hệ thống nhưng so với các phương pháp khác thì độ dài tín hiệu c gắn thêm vào cũng không lớn hơn mà nó lại cho phép hệ thống có thể di chuyển với tốc độ nhanh hơn và có thể áp dụng với các khung có chiều dài ngắn hơn.

Phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng tín hiệu sóng mang dẫn đường (Carrier Frequency Pilot- CFP)

Phương pháp truyền thông dưới nước sử dụng kỹ thuật OFDM có gắn sóng mang bằng cách gắn thêm một chuỗi tín hiệu hình sin vào cuối của mỗi khung tín hiệu OFDM mà luận án đề xuất có ưu điểm là có khả năng thích nghi được với sự thay đổi tốc độ lớn và liên tục trong khoảng thời gian ngắn. Ở phía máy phát: Nguồn dữ liệu cần phát (Data input) được gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P) rồi đưa đến khối điều chế M-QAM sau đó nó kết hợp với tín hiệu Pilot (tín hiệu dẫn đường) và tín hiệu sóng mang dẫn đường (Carrier frequency pilot – CFP) từ khối tiếp theo để sắp xếp lên các sóng mang của hệ thống OFDM.

Phương pháp giải mã trực tiếp (Direct decoder) 1. Đặt vấn đề

Ở phía thu, tín hiệu khi nhận được tại transducer thu sẽ được đưa qua bộ biến đổi ADC để biến thành tín hiệu số sau đó đưa qua bộ lọc thông dải BPF để loại bỏ các tín hiệu không thuộc dải tần thông tin phát đi. Phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler có các ưu điểm vượt trội là: phần giải mã chỉ sử dụng một bước duy nhất để tính độ dịch tần Doppler nên sẽ cho thời gian tính toán nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh của hệ thống.

Mô hình hệ thống MIMO

Nt anten phát và Nr anten thu được biểu diễn theo mô hình rời rạc như. Nt là ma trận kờnh truyền chứa cỏc hệ số phức hij, kớch thước NRìNT, hij cú biên độ và độ dịch pha ngẫu nhiên, mỗi hệ số hij biểu diễn độ lợi của kênh truyền từ anten phát j đến anten thu i.

Các kỹ thuật phân tập

Phân tập qua thời gian [87] có thể thu được khi thực hiện mã hóa và ghép xen thông tin được mã hóa và các ký hiệu mã hóa được phân tán theo thời gian trong các chu. Ngoài ra, các kỹ thuật phân tập thu có độ phức tạp thấp hơn như phân tập chuyển mạch tức là lựa chọn thay đổi anten nếu cường độ tín hiệu anten thu hiện tại bị rơi xuống dưới một ngưỡng xác định.

Dung lượng hệ thống MIMO

Phân tập thu khó để thực hiện tại máy thu di động do thiếu không gian, công suất, chi phí tăng và phụ thuộc vào loại hình dạng. Tăng độ lợi mảng: làm tăng tỉ số tính hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng cách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát.

Đề xuất phương pháp phân tập không gian thời gian cho truyền thông dưới nước chỉ sử dụng một cặp anten thu phát (SISO)

Khi đó việc sử dụng N khung để giải mã tín hiệu theo phương pháp MRC không phải là lựa chọn tối ưu bởi vì thực tế có sự khác biệt lớn về chất lượng tín hiệu giữa các khung truyền. Để ước lượng tỷ lệ lỗi ký tự SER ta phải sử dụng thuật toán ước lượng kích thước các ngôi sao trong chòm sao tín hiệu M-QAM bằng cách tính kích thước vòng tròn có bán kính r (vòng trong màu đỏ trong hình 4.7) xung quanh mỗi điểm tín hiệu chuẩn trong chòm sao M-QAM.

J Đỗ Đình Hưng, Nguyễn Quốc Khương (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội), 2018,

J Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen, 2018, “A Direct decoder method for OFDM with carrier frequency pilot in underwater acoustic communication systems”, in Journal of Science

[25] Tran Minh Hai, Saotome Rie, Suzuki Taisuki, Tomohisa Wada, "A Transceiver Architecture for Ultrasonic OFDM with Adaptive Doppler Compensation," International Journal of Information and Electronics Engineering, vol. [27] Baosheng Li, Student Member, IEEE, Shengli Zhou, Member, IEEE, Milica Stojanovic, Member, IEEE, Lee Freitag, Member, IEEE, and Peter Willett, Fellow, IEEE "Multicarrier Communication over Underwater Acoustic Channels with Nonuniform Doppler Shifts IEEE Journal of Oceanic Engineering," vol.