Kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM

MỤC LỤC

Những vấn đề còn tồn tại

Vấn đề 3: Các phương pháp bù dịch tần Doppler hiện nay [25, 26, 27] vẫn phải sử dụng các chuỗi ký tự để thêm vào đầu các khung nên sẽ không cho hiệu quả tốt về tiết kiệm băng thông như các phương pháp [26, 27] đều phải sử dụng 2 bước để bù dịch tần Doppler đó là: đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Do vậy, việc tìm ra một giải pháp sử dụng hệ thống một thu - một phát (SISO) nhưng lại có có thể ứng dụng được các đặc tính của hệ thống MIMO đó là tận dụng được tính phân tập không gian-thời gian của tín hiệu để giải quyết các vấn đề trên là mục tiêu của luận án.

Mục tiêu của luận án

Vấn đề 2: Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tương đối giữa bên phát và thu cũng gây ra lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu OFDM. Thực tế, trong trường hợp độ dịch tần Doppler lớn kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu được sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín hiệu phát nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệu để tính độ dịch tần Doppler thường không chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Thuật toán bù dịch tần sử dụng sóng mang dẫn đường CFP (Carrier Frequency Pilot) và ứng dụng kỹ thuật giải mã trực tiếp (Direct Decoder) kết hợp CFP cho hệ thống OFDM truyền thông dưới nước. Đưa ra giải pháp hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn tận dụng được đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO để cải thiện chất lượng tín hiệu.

Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Các kết quả của luận án là những phương pháp khả thi và có khả năng ứng dụng trong thực tế để phát triển thuật toán tối ưu, thuật toán đồng bộ tín hiệu, thuật toán bù dịch tần Doppler, nâng cao chất lượng tín hiệu trong thông tin dưới nước.  Ngoài ra các kết quả này cũng có thể được ứng dụng để các nhà sản xuất trong nước có thể thiết kế các hệ thống truyền thông tin dưới nước, các hệ thống tàu ngầm, thăm dò đáy biển, bảo vệ chủ quyền lãnh hải,….

Các đóng góp mới của luận án Luận án có các đóng góp mới như sau

Nội dung trình bày trong Chương 3 của luận án được Cục sở hữu trí tuệ - Bộ Khoa học và công nghệ cấp bằng độc quyền sáng chế.

Bố cục của luận án

Đồng bộ tín hiệu cho hệ thống OFDM Chương này gồm 2 phần

Phương pháp bù dịch tần Doppler Chương này gồm 3 phần

Truyền thông dưới nước sử dụng mô hình SISO (1 anten phát-1 anten thu) kết hợp đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO

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. Ta làm phép so sánh sau: với hệ thống thông tin vô tuyến có độ dịch chuyển tương đối giữa nguồn thu và phát là: 160km/h thì a  1.5107 , giá trị này đủ nhỏ để ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler có thể được bỏ qua.

    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.

      Hình 1.3. Phổ của các sóng mang trực giao
      Hình 1.3. Phổ của các sóng mang trực giao

      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.

        Hình1.13. Dạng tín hiệu OFDM và SC-FDMA bị cắt đỉnh khi vượt ngưỡng
        Hình1.13. Dạng tín hiệu OFDM và SC-FDMA bị cắt đỉnh khi vượt ngưỡng

        ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC

        • Đồng bộ thời gian . Khái niệm
          • Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng khoảng bảo vệ GI

            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,. 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.

            Hình 2.1. Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM 2.2.2. Một số phương pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay
            Hình 2.1. Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM 2.2.2. Một số phương pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay

            PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC

            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.

                Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đường liên tục
                Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đường liên tục

                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.

                  Hình 3. 10. Giao diện bên phát
                  Hình 3. 10. Giao diện bên phát

                  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.

                    TRUYỀN THÔNG DƯỚI NƯỚC SỬ DỤNG MÔ HÌNH SISO (1 ANTEN PHÁT-1 ANTEN THU) KẾT HỢP ĐẶC TÍNH PHÂN TẬP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN

                    Mô hình hệ thống MIMO

                    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

                      Nếu bộ thu thu được vài kênh fading độc lập, mỗi sóng mang cùng tín hiệu, nó có thể kết hợp thông tin mỗi đường dẫn để giảm Pe tại máy thu. 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. -Phân tập MIMO sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để tăng tốc độ truyền dẫn và cải thiện chất lượng của tín hiệu.

                      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.

                        Hình 4.4. Mỗi khung tín hiệu được phát lặp N lần 4.5.2. Giải mã N tín hiệu phân tập khơng gian thời gian
                        Hình 4.4. Mỗi khung tín hiệu được phát lặp N lần 4.5.2. Giải mã N tín hiệu phân tập khơng gian thời gian

                        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.