Sau đó, kết quả đƣợc xử lý bằng phần mềm do Phịng thí nghiệm Truyền thơng khơng dây (WICOM) của Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội phát triển. Các thông số của hệ thống OFDM đƣợc thể hiện trong Bảng 6. Các tín hiệu đƣợc 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 đƣợc 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 hƣớng 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 đƣợc từ thực nghiệm trong trƣờng hợp máy phát di chuyển ra xa máy thu và quay trở lại.
90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 15 17 19 22 23 13 14 16 18 20 21 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 đƣợc 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.
91 (10): Bộ biến đổi ADC
(11): Bộ lọc thông 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 ƣớc lƣợng 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 ƣớc lƣợng kênh truyền.
(22): Ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi (23): Giải điều chế M-QAM
Tham số truyền của hệ thống OFDM đƣợc trình bày trong bảng dƣới 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
92
Khoảng cách giữa các sóng mang con (Hz) 46.865
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 đƣợc bên thu. Bảng dƣới 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
93
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 đƣợc khi áp dụng thuật toán đề xuất cũng giống nhƣ SER nhận đƣợc 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 chƣơng
Môi trƣờng truyền thông dƣới nƣớc là rất phức tạp do ảnh hƣởng nhiều của các điều kiện vật lý, cho nên tín hiệu nhận đƣợc khi giải mã thƣờng 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 nhƣ các transducers thu phát.
Kết quả của chƣơng này đƣợc trình bày trong bài báo (năm 2022) tại Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Cơng 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.
94
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Truyền tín hiệu trong mơi trƣờng dƣới nƣớc và trong mơi trƣờng khơng khí có nhiều điểm giống nhau. Khi truyền tín hiệu trong mỗi mơi trƣờng đều gặp phải những vấn đề về đƣờng truyền, các loại suy hao và nhiễu ảnh hƣởng lên hệ thống. Nhƣng vì mơi trƣờng dƣới nƣớc là mơi trƣờng có tính chất phức tạp hơn nên việc khơi phục tín hiệu sau khi truyền đi cũng tƣơng đối khó khăn. Chính những khó khăn này của truyền thơng dƣới nƣớc đã thúc đẩy việc nghiên cứu của luận án để đƣa ra các biện pháp kỹ thuật mới.
Đóng góp 1: Có nhiều phƣơng pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, nhƣng chủ yếu là
sử dụng những chuỗi tín hiệu đặc biệt để gắn vào đầu hoặc cuối mỗi khung tín hiệu, nhƣ phƣơng pháp Schmidl, phƣơng pháp Park, phƣơng pháp Minn và phƣơng pháp Seung. Nhƣng thiết kế này khơng phù hợp với tiêu chí truyền tin của thơng tin dƣới nƣớc do phải tiết kiệm băng thơng. Ngồi ra do đặc điểm của sóng âm khác với sóng vơ tuyến nên việc áp dụng các phƣơng pháp trên cho truyền tín hiệu dƣới nƣớc sẽ đạt hiệu quả khơng cao. Vì vậy luận án sẽ đề xuất một phƣơng pháp hồn tồn mới sử dụng thuật tốn phù hợp để đồng bộ với thơng tin dƣới nƣớc 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 dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm
rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tƣơng đối chậm giữa bên phát và thu cũng gây ra lƣợng dịch tần Doppler lớn ảnh hƣởng đến tín hiệu OFDM. Có nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dƣới nƣớc sử dụng công nghệ OFDM trƣớc đây.
Phƣơng pháp đề xuất cũng khác với các phƣơng pháp trƣớc đây là việc tính tốn độ lệch tần Doppler trong phƣơng pháp của tác giả luận án đƣợc thực hiện trƣớc 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 phƣơng pháp đề xuất có khả năng xác định một cách gần chính xác độ lệch tần số Doppler của tín hiệu thu ngay từ bƣớc ban đầu. Do vậy ở bƣớc cuối cùng chỉ cần sử dụng thuật tốn xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh chính xác chịm sao tín hiệu thu trong trƣờng hợp vẫn chƣa 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 đƣợc với hệ thống có tốc độ chuyển động tƣơng đối nhanh giữa phát và thu.
Các phƣơng 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
95
luận án này tác giả đề xuất một phƣơng pháp mới hồn tồn khơng sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt mà sử dụng một tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng đƣợc gọi là CFP (Carrier
Frequency Pilot) để phát hiện và bù dịch tần Doppler.
Tiếp theo, do các phƣơng pháp hiện nay đều phải sử dụng 2 bƣớc để bù dịch tần Doppler là: đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Ở bƣớc đồng bộ thô, tần số Doppler sẽ đƣợc tính tốn gần đúng và làm trịn thành số ngun. Ở bƣớc 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 bƣớc tính tốn nhƣ vậy sẽ phức tạp và khơng thích ứng đƣợc khi tần số Doppler biến đổi nhanh.
Vì vậy trong luận án đã đề xuất một thuật tốn hồn toàn mới, chỉ sử dụng một bƣớc duy nhất để xác định và bù dịch tần Doppler. Tác giả gọi đó là phƣơng pháp giải mã trực tiếp sử dụng CFP (A Direct Decoder Method with CFP).
Đóng góp 3: Trong mơi trƣờng truyền thơng dƣới nƣớc, 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 tƣơng 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 dƣới nƣớc để nâng cao chất lƣợng tín hiệu cũng nhƣ hiệu quả sử dụng băng thơng thì việc sử dụng nhiều transducer thu phát để truyền thông tin dƣới nƣớc cũng nhằm tận dụng các ƣu 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 trƣờng hợp với hệ thống có quá nhiều anten sẽ trở nên cồng kềnh tiêu tốn nhiều năng lƣợng 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 dƣới nƣớc nhƣng chỉ sử dụng một cặp transducer thu phát. Kỹ thuật đề xuất đặc biệt hiệu quả đối với trƣờng hợp có sự dịch tần Doppler của tín hiệu thu đƣợc nghĩa là có sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và bên thu. Bên cạnh đó, tác giả đề xuất phƣơng pháp lựa chọn tín hiệu thu sử dụng thuật tốn giải mã tối ƣu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận đƣợc nhằm tối ƣu hóa q trình giải mã tín hiệu và tăng hiệu quả của quá trình truyền tin.
96
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 Hƣng, Nguyễn Quốc Khƣơng (Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội), 2018,
“Phƣơng pháp bù dịch tần Doppler dựa trên chuỗi tín hiệu hình sin cho hệ thống OFDM truyền thông tin dƣới nƣớc”, “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 Khƣơng (VN), Đỗ Đình Hƣng (VN), Nguyễn Văn Đức (VN), “Phƣơng 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 Cơng nghệ.
97
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.
98
[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
99
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