Sau đó, kết quả được xử lý bằng phần mềm do Phịng thí nghiệm Truyền thơng khơng dây (WICOM) của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội phát triển. Các thông số của hệ thống OFDM được thể hiện trong Bảng 6. Các tín hiệu được điều chế bởi QPSK, với NFFT = 2048, độ dài khoảng bảo vệ là 1024, băng thông của hệ thống là từ 20 kHz đến 28 kHz. Tín hiệu được truyền các khung liên tiếp cách nhau khoảng 0,15s. Mỗi khung bao gồm các ký hiệu OFDM (Ns). Trong thực nghiệm, phạm vi thay đổi tốc độ tối đa từ −3,5m / s đến + 3,5m / s. Dấu trừ của tốc độ có nghĩa là máy phát di chuyển xa máy thu và dấu cộng là theo hướng đối lập. Ở tốc độ tối đa ± 3,5m / s, độ dịch tần của Doppler là khoảng -56Hz đến + 56Hz so với CFP ở 24 kHz, độ dịch tần này lớn hơn độ rộng của sóng mang phụ của tín hiệu OFDM là 46,865Hz. Trong Hình 4.11, tín hiệu thực tại máy thu trong miền thời gian và tần số thu được từ thực nghiệm trong trường hợp máy phát di chuyển ra xa máy thu và quay trở lại.
Q
C
9 3 21 20 18 16 14 13 23 1110 22 19 17 15 1 2 4 5 6 7 8 12 Hình 4.11: Hệ thống OFDM thử nghiệm Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:
(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input được gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)
(2): Khối điều chế M-QAM (3): Tín hiệu Pilot và CFP
(4): Sắp xếp dữ liệu và Pilot lên các sóng mang của hệ thống OFDM. (5): Khối để chèn không và sắp xếp đặc biệt
(6): Biến đổi IFFT
(7): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM. (8): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) (9): Bộ biến đổi DAC
Transducer phát. Transducer thu
(10): Bộ biến đổi ADC (11): Bộ lọc thơng dải BPF
(12): Khối tính tốn độ lệch tần Doppler (13): Lấy mẫu lại tần số
(14): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM. (15): Khối biến đổi FFT
(16): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM (17): Khối ước lượng kênh
(18): Thực hiện việc khử nhiễu ICI trong miền thời gian của mỗi tín hiệu OFDM (19): Tính độ lệch thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh.
(20): Biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM. (21): Tách các Pilot và ước lượng kênh truyền.
(22): Ước lượng giá trị dữ liệu truyền đi (23): Giải điều chế M-QAM
Tham số truyền của hệ thống OFDM được trình bày trong bảng dưới đây:
Bảng 6: Các tham số của hệ thống OFDM-SISO
Tham số Giá trị
1 phát-1 thu SISO
Tần số lấy mẫu (KHz) 96
Băng thông (KHz) 20-28
Độ dài FFT(NFFT) 2048
Khoảng bảo vệ (GI) 1024
Điều chế QPSK
Chiều dài ký tự OFDM (ms) 32
Số ký tự OFDM trên khung (Ns) 30
Độ dài khung (ms) 960
Biên độ của CFP 6
Roll-off factor raised cosin filter (α) 0.2
Khoảng trống giữa các khung Td (ms) 150
Biên độ trung bình Pilot 1.4142
Chiều dài g(t) trên mẫu (2L+1) 15
Trong thực nghiệm, tác giả truyền 10 khung dữ liệu liên tiếp (N=10)
Hình 4.12. Tín hiệu N=10 khung
Trên Hình 4.12 :10 khung tín hiệu nhận được bên thu. Bảng dưới đây là kết quả giải mã tín hiệu:
Bảng 7. SER của mỗi khung và khi kết hợp các khung
Khung SER Kết hợp các khung SER MRC
1 0.015909 1 0.015909 2 0.040909 1,2 0.0022727 3 0.19318 1,2,3 0.0022727 4 0.1053 1,2,3,4 0.00075758 5 0.13636 1,2,3,4,5 0.0015152 6 0.14545 1,2,3,4,5,6 0.00075758 7 0.60985 1,2,3,4,5,6,7 0.00075758 8 0.21364 1,2,3,4,5,6,7,8 0.00075758 9 0.095455 1,2,3,4,5,6,7,8,9 0.00075758 10 0.07803 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 0.00075758 4.5.4. Nhận xét
SER nhận được khi áp dụng thuật toán đề xuất cũng giống như SER nhận được khi kết
hợp 10 khung. Từ kết quả Bảng 7 có thể thấy rằng việc kết hợp 4 khung truyền (các khung 1,2,3,4) đã cho kết quả SER tốt nhất. Vì vậy, tùy điều kiện truyền và thực tế mà có thể thay đổi giá trị N cho thích hợp.
4.6. Kết luận chương
Mơi trường truyền thông dưới nước là rất phức tạp do ảnh hưởng nhiều của các điều kiện vật lý, cho nên tín hiệu nhận được khi giải mã thường bị lỗi nhiều. Vì vậy việc áp dụng kỹ thuật truyền lặp lại tín hiệu phát OFDM nhiều lần và áp dụng kỹ thuật giải mã
MRC thích hợp sẽ cho phép nâng độ chính xác khi truyền thơng tin. Việc áp dụng kỹ
thuật này cũng cho phép ta giảm bớt các thiết bị phần cứng phức tạp và cồng kềnh như các transducers thu phát.
Kết quả của chương này được trình bày trong bài báo (năm 2022) tại Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự (JMST):
J4. Do Dinh Hung, Nguyen Quoc Khuong, Ha Duyen Trung, Nguyen Thanh Trung, Nguyen
Thi Hai Yen, 2022, “Method of selecting signals with spatial-temporal diversity for underwatercommunication using OFDM technique”, in Journal of Military Science and Technology (JMST), pp.3-11, ISSN 1859-1043.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Truyền tín hiệu trong mơi trường dưới nước và trong mơi trường khơng khí có nhiều điểm giống nhau. Khi truyền tín hiệu trong mỗi mơi trường đều gặp phải những vấn đề về đường truyền, các loại suy hao và nhiễu ảnh hưởng lên hệ thống. Nhưng vì mơi trường dưới nước là mơi trường có tính chất phức tạp hơn nên việc khơi phục tín hiệu sau khi truyền đi cũng tương đối khó khăn. Chính những khó khăn này của truyền thơng dưới nước đã thúc đẩy việc nghiên cứu của luận án để đưa ra các biện pháp kỹ thuật mới.
Đóng góp 1: Có nhiều phương pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, nhưng chủ yếu là
sử dụng những chuỗi tín hiệu đặc biệt để gắn vào đầu hoặc cuối mỗi khung tín hiệu, như phương pháp Schmidl, phương pháp Park, phương pháp Minn và phương pháp Seung. Nhưng thiết kế này không phù hợp với tiêu chí truyền tin của thơng tin dưới nước do phải tiết kiệm băng thơng. Ngồi ra do đặc điểm của sóng âm khác với sóng vơ tuyến nên việc áp dụng các phương pháp trên cho truyền tín hiệu dưới nước sẽ đạt hiệu quả khơng cao. Vì vậy luận án sẽ đề xuất một phương pháp hoàn tồn mới sử dụng thuật tốn phù hợp để đồng bộ với thơng tin dưới nước đó là chỉ sử dụng khoảng bảo vệ (GI) để xác định điểm bắt đầu của khung truyền dẫn. Từ đó cho kết quả đồng bộ tín hiệu với độ chính xác và hiệu quả sử dụng băng thơng cao.
Đóng góp 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 chậm giữa bên phát và thu cũng gây ra lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến tín hiệu OFDM. Có nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM trước đây. Phương pháp đề xuất cũng khác với các phương pháp trước đây là việc tính tốn độ lệch tần Doppler trong phương pháp của tác giả luận án được thực hiện trước khi đồng bộ tín hiệu. Do đó khơng cần địi hỏi phải xác định chính xác điểm bắt đầu của các khung dữ liệu. Ngồi ra phương pháp đề xuất có khả năng xác định một cách gần chính xác độ lệch tần số Doppler của tín hiệu thu ngay từ bước ban đầu. Do vậy ở bước cuối cùng chỉ cần sử dụng thuật tốn xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh chính xác chịm sao tín hiệu thu trong trường hợp vẫn chưa điều chỉnh hết độ lệch tần số. Thêm vào đó việc sử dụng sóng hình sin để xác định tần số Doppler cho phép áp dụng được với hệ thống có tốc độ chuyển động tương đối nhanh giữa phát và thu.
Các phương pháp bù dịch tần Doppler hiện nay vẫn phải sử dụng các chuỗi ký tự để thêm vào đầu các khung nên sẽ không cho hiệu quả tốt. Để tiết kiệm băng thông, trong
luận án này tác giả đề xuất một phương pháp mới hồn tồn khơng sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt mà sử dụng một tín hiệu sóng mang dẫn đường được gọi là CFP (Carrier
Frequency Pilot) để phát hiện và bù dịch tần Doppler.
Tiếp theo, do các phương pháp hiện nay đều phải sử dụng 2 bước để bù dịch tần Doppler là: đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Ở bước đồng bộ thô, tần số Doppler sẽ được tính tốn gần đúng và làm trịn thành số nguyên. Ở bước đồng bộ tinh, thuật toán sẽ sử dụng CFP để tính tốn chính xác tần số Doppler dựa trên hàm có sẵn của phần mềm Matlab. Việc sử dụng 2 bước tính tốn như vậy sẽ phức tạp và khơng thích ứng được khi tần số Doppler biến đổi nhanh.
Vì vậy trong luận án đã đề xuất một thuật tốn hồn tồn mới, chỉ sử dụng một bước duy nhất để xác định và bù dịch tần Doppler. Tác giả gọi đó là phương pháp giải mã trực tiếp sử dụng CFP (A Direct Decoder Method with CFP).
Đóng góp 3: Trong mơi trường truyền thơng dưới nước, băng thơng tín hiệu rất hạn
hẹp chỉ có vài chục KHz thêm vào đó tốc độ truyền lan của sóng âm là rất thấp nếu so sánh với tốc độ truyền lan của sóng điện từ nên mọi sự chuyển động tương đối giữa bên phát và bên thu sẽ gây ra sự dịch tần Doppler rất lớn với tín hiệu thu. Vì vậy trong các hệ thống truyền thông dưới nước để nâng cao chất lượng tín hiệu cũng như hiệu quả sử dụng băng thơng thì việc sử dụng nhiều transducer thu phát để truyền thông tin dưới nước cũng nhằm tận dụng các ưu điểm của sự phân tập khơng gian và thời gian của tín hiệu trong hệ thống MIMO-OFDM là rất cần thiết. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp với hệ thống có quá nhiều anten sẽ trở nên cồng kềnh tiêu tốn nhiều năng lượng và cản trở sự chuyển động của thiết bị. Vì vậy, trong luận án này, tác giả áp dụng kỹ thuật phân tập không gian thời gian cho hệ thống truyền thông dưới nước nhưng chỉ sử dụng một cặp transducer thu phát. Kỹ thuật đề xuất đặc biệt hiệu quả đối với trường hợp có sự dịch tần Doppler của tín hiệu thu được nghĩa là có sự chuyển động tương đối giữa bên phát và bên thu. Bên cạnh đó, tác giả đề xuất phương pháp lựa chọn tín hiệu thu sử dụng thuật tốn giải mã tối ưu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận được nhằm tối ưu hóa q trình giải mã tín hiệu và tăng hiệu quả của q trình truyền tin.
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Bài báo hội thảo quốc tế:
1. C1. Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen, Viet Ha Do and Van Duc Nguyen (Hanoi
Unversity of Science and Technology, Vietnam), 2016, “A Time Synchronization Method for OFDM-Based Underwater Acoustic Communication Systems”, In 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp131-134.
2. C2. Quoc Khuong Nguyen, Dinh Hung Do and Van Duc Nguyen (Hanoi Unversity of
Science and Technology, Vietnam), 2017, “ Doppler Compensation Method using Carrier Frequency Pilot for OFDM-Based Underwater Acoustic Communication Systems”, In 2017 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp.254-259.
Bài báo tạp chí Khoa học và Kỹ thuật:
1. J1. Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen (Hanoi University of Science and Technology,
Vietnam), 2017, “Comparison of single carrier FDMA vs. OFDMA in underwater acoustic communication systems”, in pp.65-68 Journal of Science& Technology on Information and Communications (JSTIC), ISSN 2525-2224.
2. J2. Đỗ Đình Hưng, Nguyễn Quốc Khương (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội), 2018,
“Phương pháp bù dịch tần Doppler dựa trên chuỗi tín hiệu hình sin cho hệ thống OFDM truyền thông tin dưới nước”, “A Doppler Compensation Method Based on the Sinusoidal Signal in OFDM Underwater Communication System”, pp.11-14 in Journal of Science & Technology (JST), No.129(2018), ISSN 2354-1083.
3. J3. 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 and Technology on Information and Communications (JSTIC), pp.21-26, ISSN 2525-2224.
4. J4. Do Dinh Hung, Nguyen Quoc Khuong, Ha Duyen Trung, Nguyen Thanh Trung, Nguyen
Thi Hai Yen, 2022, “Method of selecting signals with spatial-temporal diversity for underwatercommunication using OFDM technique”, in Journal of Military Science and Technology (JMST), pp.3-11, ISSN 1859-1043.
Bằng Độc quyền sáng chế:
Nguyễn Quốc Khương (VN), Đỗ Đình Hưng (VN), Nguyễn Văn Đức (VN), “Phương pháp bù dịch tần Doppler”, Bằng Độc quyền sáng chế Số 20 32, theo Quyết định số: 78879/QĐ-SHTT, ngày :06/11/2018, Cục Sở hữu trí tuệ, Bộ Khoa học và Công nghệ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO CỦA LUẬN ÁN
[1] PGS.TS Nguyễn Văn Đức,”Bộ sách kỹ thuật thông tin số ,tập 1-2”,Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật ,2006
[2] J. Li, Y. Du, and Y. Liu, "Comparison of Spectral Efficiency for OFDM and SC-FDE under IEEE 802.16 Scenario," Proceedings of the 11th IEEE Symposium on Computers
and Communications (ISCC'06), 2006.
[3] T. Shi, S. Zhou, and Y. Yao, "Capacity of single carrier systems with frequency-domain equalization,"IEEE 6th CAS Symp. on Emerging Technologies: Mobile and Wireless
Comm., pp. 429-432, May 2004.
[4] H. G. Myung, J. Lim, and J. Goodman, "Peak-to-Average Power Ratio of Single Carrier FDMA Signals with Pulse Shaping," The 17th Annual IEEE International Symposium
on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC'06), pp. 1-5, Sep.
2006.
[5] H. G. Myung, J. Lim, and D. J. Goodman, "Single Carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission,"IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 1, no. 3, pp. 30-38, Sep. 2006.
[6] Arjun Thottappilly , “OFDM for Underwater Acoustic Communication’’, Virginia Polytechnic Institute and State University,2011.
[7] Ove Edfors, Magnus Sandell, Jan-Jaap van de Beek, An introduction to Orthogonal
Frequency Division Multiplexing, September 1996.
[8] M.Stojanovic,“ Underwater Acoustic Communication Channels: Propagation Models and Statistical Characterization”, IEEE Communications Magazine, issue 1, Feb 2009 [9] Albers V. M., “Underwater Acoustics Instrumentation” 1969.
[10] Loyd Butler, “Underwater Radio Communication”, Originally published in Amateur Radio, April 1987.
[11] MandarChitre, Shiraz Shahabudeen, “Underwater Acoustic Communications and
Networking: Recent Advances and Future Challenges”.
[12] Mohd Ansor Bin Yusof, Shahid Kabir, “Underwater Communication Systems: A
Review”, Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Marrakesh,
Morocco, Mar. 20–23, 2011.
[13] H. Esmaiel and D. Jiang, “Review article: Multicarrier communication for underwater acoustic channel,” Int. J. Communications, Network and System Sciences, vol. 6, pp. 361–376, aug 2013.
[14] P. A. van Walree, “Propagation and scattering effects in underwater acoustic
communication channels,” IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 38, no. 4, pp. 614- 631, 2013.
[15] Milica Stojanovic, Member, IEEE “Recent Advances in High-Speed Underwater
Acoustic Communications” IEEE Journal of oceanic engineering, vol. 21, no.2,april
1996.
[16] G.M. Wenz, “Acoustic ambient noise in the ocean: Spectra and sources,” J.Acoust. Soc. Amer., vol.34, no. 12, pp. 1936-1956, Dec. 1962.
[17] M.Stojanovic, “Low complexity OFDM detector for underwater acoustic channels,” IEEE Oceans Conf., Sept. 2006.
[18] B.Li, S.Zhou, M.Stojanovic, L.Freitag and P.Willet, “Non-uniform Doppler
compensation for zeropadded OFDM over fast-varying underwater acoustic channels,”
IEEE Oceans Conf., June 2007.
[19] Adegbenga B. Awoseyila, Christos Kasparis ans Barry G. Evans “Improved Preamble –
Aided Timing Estimation for OFDM systems” IEEE communications letters, vol. 12, no.
11, November 2008.
[20] T. Schmidl and D. Cox, “Robust frequency and timingsynchronization for OFDM,” IEEE Trans. Commun, vol. 45, no.12, 1997:1613-1621.
[21] A.M. Khan, Varun Jeoti, M. A. Zakariya, and M.Z. Ur Rehman, “Robust Symbol Timing
Synchronization for OFDM Systems Using PN Sequence” International Journal of
Information and Electronics Engineering, Vol. 4, No.3, May 2014.
[22] M.Stojanovic, Low complexity OFDM detector for underwater acoustic channels, IEEE Oceans Conf., Sept. 2006.
[23] H. Esmaiel and D. Jiang, "Review article: Multicarrier communication for underwater acoustic channel," Int. J. Communications, Network and
SystemSciences,vol.6, pp. 361-376, aug 2013.
[24] M. Stojanovic and J. Preisig, "Underwater acoustic communication channels: Propagation models and statistical characterization," IEEE Communications
Magazine, vol. 47, no. 1, 2009.
[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. 4, no.3,2014.
[26] B. Li, S. Zhou, M. Stojanovic, L. Freitag, and P. Willett, "Non-uniform Doppler compensation for zero-padded OFDM over fast-varying underwater acoustic
channels," in OCEANS 2007-Europe. IEEE, pp.1-6, 2007. [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. 38, no. 4, pp. 614-631, 2013.
[28] Hai Minh Tran, Tomohisa Wada , "On ICI Canceller for Mobile OFDM DTV Receivers," TACT vol. 2, pp. 290-297, 2013.
[29] A.B.Awoseyila, C.Kasparis, and B.G.Evans," Improved preambleaided timing estimation for OFDM systems," IEEE Communications Letters, vol.12,no.11,pp.825- 827,2008.
[30] J. A. Hildebrand, "Anthropogenic and natural sources of ambient noise in the ocean," Marine Ecology Progress Series, vol. 395, pp. 5-20, 2009.
[31] T. Schmidl and D. Cox, "Robust frequency and timing synchronization for OFDM," IEEE Trans. Commun, vol. 45, no.12, pp. 1613-1621, 1997.
[32] Simon Haykin, Simon S. Haykin, " Commmunication System" Second Edition ISSN 0271-6046, Wiley, 1983.