Trong thí nghiệm này, bộ thu tín hiệu đƣợc đặt ở vị trí cố định bên cạnh hồ. Bộ phát nằm trên chiếc thuyền nhỏ đƣợc kéo bằng dây thừng từ cả hai phía theo hƣớng bên phải về phía bộ nhận tín hiệu.
Sau đó, các kết quả đƣợc xử lý bởi phần mềm, đƣợc phát triển bởi Phịng thí nghiệm truyền thơng không dây WICOM.
Bảng 4. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng CFP
Thông số Giá trị
1 Transducer phát – 1 Transducer thu SISO
Tần số lấy mẫu (KHz) 96
Băng thông (KHz) 20-28
Độ dài FFT (N) 2048
Độ dài khoảng bảo vệ (GI) 1024
74
Chiều dài của OFDM symbol (ms) 32
Khoảng cách giữa các sóng mang OFDM (Hz) 46.865
Số OFDM symbol trên một khung (NS) 30
Chiều dài khung (Tf) (ms) 960
Độ dài chuỗi sin (ms) 200
Biên độ của CFP 6
Biên độ của sóng mang thƣờng 1,4142
Khoảng trống giữa các khung (ms) 150
75
Hình 3.17. a. Tín hiệu OFDM thu được trong miền thời gian
b. Phổ của tín hiệu với sóng mang CFP ở trung tâm
Hình 3.18. Biến thiên của độ dịch tần Doppler theo
vận tốc dịch chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu
76 RX0
PP GM2B PP GMTT
Hình 3.19. So sánh SER của phương pháp giải mã trực tiếp và giải mã 2 bước 3.5.6. Nhận xét
Phƣơng pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch
tần Doppler có các ƣu điểm vƣợt trội là: phần giải mã chỉ sử dụng một bƣớc duy nhất để tính độ dịch tần Doppler nên sẽ cho thời gian tính tốn nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh của hệ thống.
3.6. Kết luận chƣơng
Việc áp dụng phƣơng pháp đề xuất cho phép tăng hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống OFDM. Cho phép truyền tín hiệu OFDM ở dƣới nƣớc trong khi di chuyển với tốc độ rất cao. Theo mô phỏng cho phép độ lệch tần Doppler giữa bên phát với bên thu là hàng nghìn Hz (so sánh với tần số tín hiệu phát chỉ 24Khz) thì tƣơng đƣơng với tốc độ di chuyển tƣơng đối giữa bên phát và bên thu là hàng trăm m/s còn trong thực nghiệm tại hồ Tiền trƣờng Đại học Bách Khoa Hà nội là <4m/s. Kết quả này có thể ứng dụng cho thơng tin và tầu ngầm, ngƣời nhái và điều khiển các robot tự hành dƣới biển.
77
Kết quả của chƣơng này đã đƣợc công bố trong bài báo và công bố khoa học sau: J2. Đỗ Đình Hƣng, Nguyễn Quốc Khƣơng (Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội),
“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.
C2. Quoc Khuong Nguyen, Dinh Hung Do and Van Duc Nguyen (Hanoi Unversity of
Science and Technology, Vietnam), “ 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, 2017.
J3. Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen, “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, 2018.
Bằng 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:
78
CHƢƠNG 4 TRUYỀN THƠNG DƢỚI NƢỚC SỬ DỤNG MƠ HÌNH SISO (1 ANTEN PHÁT-1 ANTEN THU) KẾT HỢP ĐẶC TÍNH PHÂN TẬP KHƠNG GIAN-THỜI GIAN
CỦA HỆ THỐNG MIMO 4.1. Giới thiệu chƣơng
Kỹ thuật MIMO (Multi Input-Multi Output) xuất hiện rất sớm do A.R Kaye và D.A George đề xuất năm 1970, Branderburg và Wyner (1974), và W. van Etten năm 1975, 1976 [41-43]. Trong quá trình cải tiến, cơng nghệ này khơng ngừng phát triển.
Việc sử dụng kỹ thuật nhiều anten thu phát nhằm mục đích tăng hiệu quả sử dụng băng thông. Do đặc điểm của kênh thơng tin dƣới nƣớc có băng tần rất hạn chế chỉ một vài Khz, vì vậy cần có những giải pháp để tăng hiệu quả sử dụng băng tần và MIMO chính là một trong những giải pháp đó đã đƣợc áp dụng trong truyền thông dƣới nƣớc. Việc sử dụng MIMO cho kênh truyền dƣới nƣớc cũng khơng khác gì với kênh sử dụng sóng vơ tuyến thơng thƣờng, chỉ khác là với tín hiệu sóng điện từ sử dụng hệ thống anten thu- phát, còn với sóng âm thì sử dụng hệ thống transducer thu-phát.
4.2. Mơ hình hệ thống MIMO
Máy phát Máy thu
TX0 TX1 TX(Nt-1) RX0 RX(Nr-1) Hình 4.1. Mơ hình hệ thống MIMO
79
Hệ thống gồm có Nt anten phát và Nr anten thu đƣợc biểu diễn theo mơ hình rời rạc nhƣ sau: 11 12 1 1 1 1 21 22 2 2 2 2 1 2 ..... ..... . . . . . . . . . . . . .... t t t t r r r r t N N N N N N N N N h h h x n y h h h x n y x n y h h h (4.1)
Mơ hình đƣợc biểu diễn dƣới dạng:
yh x. n0 (4.2) Với Nr
yC là tín hiệu nhận đƣợc từ Nrchiều từ Nranten thu.
0
r N
n C kí hiệu nhiễu Gausse trắng N(0,2).
R t
N N
hC là ma trận kênh truyền chứa các hệ số phức hij, kích thƣớc NR×NT, hij có 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.
4.3. Các kỹ thuật phân tập
Trong môi trƣờng vô tuyến, kỹ thuật phân tập đƣợc sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hƣởng của fading đa đƣờng và cải tiến độ tin cậy của kênh truyền [86] mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng thông cần thiết. Kỹ thuật phân tập yêu cầu nhiều bản sao tín hiệu tại nơi thu, tất cả cùng mang một thơng tin nhƣng có sự tƣơng quan rất nhỏ trong mơi trƣờng fading. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hƣởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đƣờng truyền. Có nhiều cách để thu đƣợc phân tập nhƣ phân tập thời gian, phân tập tần số. Trong một kênh với nhiều anten phát hoặc thu ta có phân tập khơng gian [86]. Do vậy, phân tập là một kỹ thuật quan trọng, trong một hệ thống vơ tuyến có thể sử dụng vài loại phân tập.
4.3.1. Phân tập thời gian
Phân tập qua thời gian [87] có thể thu đƣợc khi thực hiện mã hóa và ghép xen thơng tin đƣợc mã hóa và các ký hiệu mã hóa đƣợc phân tán theo thời gian trong các chu
80
kỳ kết hợp khác nhau để các các phần khác nhau của từ mã có thể độc lập khi xảy ra hiện tƣợng fading.
Giả sử ta phát một từ mã x[x ,x ,....x ]1 2 L chiều dài ký hiệu L và tín hiệu thu là: yl h xl l wl ,l 1; 2;...;L (4.3) Giả sử ghép xen lý tƣởng để các ký tự liên tiếp xl đƣợc phát đủ xa theo thời gian, ta có thể giả thiết rằng hl là độc lập. |hl | l Ghép không xen Ghép xen Từ mã 0 x Từ mã x1 Từ mã 2 x Từ mã x3
Hình 4.2. Từ mã đƣợc phát có xen và khơng xen
Trong Hình 4.2, các từ mã đƣợc truyền các các ký hiệu liên tiếp nhau và đƣợc ghép xen, từ mã x2bị triệt tiêu bởi fading nếu không dùng bộ ghép xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể khơi phục lại từ ba ký tự không bị ảnh hƣởng bởi fading [88].
4.3.2. Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một lƣợng thông tin. Các tần số cần đƣợc phân chia để đảm bảo bị ảnh hƣởng của fading một cách độc lập [87]. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông kết hợp để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tƣơng quan. Kỹ thuật trải phổ
81
rất hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ [89]. Tuy nhiên, khi băng thông kết hợp của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đƣờng sẽ nhỏ hơn chu kỳ tín hiệu. Trong trƣờng hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dƣ thừa thông tin trong cùng băng tần.
4.3.3. Phân tập không gian
Để khai thác phân tập thời gian cần phải ghép xen và mã hóa qua các chu kỳ thời gian kết hợp. Khi có các ràng buộc về độ trễ, thì phân tập này có thể khơng sử dụng đƣợc. Lúc này có thể sử dụng một loại phân tập khác gọi là phân tập anten hay phân tập khơng gian [86-88]. Phân tập khơng gian có thể thu đƣợc bằng cách đặt nhiều anten tại đầu phát hoặc đầu thu. Nếu các anten đặt với khoảng cách đủ xa, độ lợi kênh giữa các anten độc lập nhau. Khoảng cách giữa các anten phụ thuộc vào môi trƣờng tán xạ cũng nhƣ tần số sóng mang [88].
Những loại phân tập không gian phổ biến hiện nay:
SIMO MISO MIMO
Hình 4.3. Các loại phân tập khơng gian
-Phân tập SIMO sử dụng một anten phát và nhiều anten thu. Tín hiệu thu đƣợc có thể thay đổi lớn qua một vài chiều dài bƣớc sóng trong mơi trƣờng nhiều tín hiệu đa đƣờng. Xác suất lỗi bit (Pe) của QPSK trong các kênh fading Rayleigh là xấu. Nếu bộ thu thu đƣợc vài kênh fading độc lập, mỗi sóng mang cùng tín hiệu, nó có thể kết hợp thơng tin mỗi đƣờng dẫn để giảm Pe tại máy thu. Ngoài ra, các kỹ thuật phân tập thu có độ phức tạp thấp hơn nhƣ phân tập chuyển mạch tức là lựa chọn thay đổi anten nếu cƣờng độ tín hiệu anten thu hiện tại bị rơi xuống dƣới một ngƣỡng xác định.
82
-Phân tập MISO sử dụng nhiều anten phát và một anten thu. Phân tập thu khó để thực hiện tại máy thu di động do thiếu khơng gian, cơng suất, chi phí tăng và phụ thuộc vào loại hình dạng. Phân tập phát có yêu cầu phần cứng và độ phức tạp xử lý tín hiệu đáng kể đối với hệ thống.
- Phân tập MIMO sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để tăng tốc độ truyền dẫn và cải thiện chất lƣợng của tín hiệu.
4.4. Dung lƣợng hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO kết hợp sử dụng đa anten ở cả phía phát và phía thu [86,87]. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, phân tập thu nhờ đa anten thu nhằm tăng chất lƣợng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Dung lƣợng hệ thống này còn đƣợc cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hóa khơng gian – thời gian VBLAST. Khi thông tin kênh truyền đƣợc biết tại cả nơi phát và nơi thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lƣợng hệ thống trong trƣờng hợp phân tập cực đại có thể đƣợc xác định theo công thức:
2
log (1 T. R. )
C N N SNR (4.4) Dung lƣợng hệ thống trong trƣờng hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định theo cơng thức sau:
2
min( T, R).log (1 )
C N N SNR (4.5)
Ƣu điểm hệ thống MIMO
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.
Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiệu ứng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lƣợng hệ thống.
Tăng hiệu quả phổ: Bằng cách sử dụng ghép kênh không gian, thời gian. Tăng dung lƣợng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông.
Nhƣợc điểm hệ thống MIMO
Tăng độ phức tạp trong xử lý tín hiệu phát và thu.
83
Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu cùng với một băng tần.
4.5. Đề xuất phƣơng pháp phân tập không gian thời gian cho truyền thông dƣới
nƣớc chỉ sử dụng một cặp anten thu phát (SISO)
4.5. . Đặt vấn đề
Hệ thống nhiều anten thu phát đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống vô tuyến nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông hay tăng tốc độ truyền và chất lƣợng tín hiệu thu. Việc sử dụng nhiều anten thu phát có đƣợc nhờ vào đặc tính phân tập về khơng gian và thời gian của tín hiệu sóng vơ tuyến. Kỹ thuật phân tập khơng gian đƣợc hiểu nhƣ là sự thay đổi vị trí giữa các cặp anten thu phát nhờ đó làm thay đổi trạng thái kênh truyền [87-88]. Kỹ thuật phân tập thời gian thì dựa trên đặc tính phụ thuộc thời gian của kênh vơ tuyến nên một tín hiệu có thể đƣợc truyền đi ở nhiều thời điểm khác nhau. Kết hợp với việc phân tập khơng gian thời gian cho tín hiệu thì có rất nhiều kỹ thuật mã hóa đã đƣợc áp dụng nhƣ STBC, SFBC, Alamouiti…
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 [26-29]. Vì vậy trong các hệ thống truyền thơng 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 không gian và thời gian của tín hiệu là rất cần thiết. Tuy nhiên trong nhiều trƣờng hợp với hệ thống có quá nhiều transducer sẽ trở nên cồng kềnh tiêu tốn nhiều năng lƣợng và cản trở sự chuyển động của thiết bị. Trong nội dung chính của chƣơng 4, đề xuất 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.
Phƣơng pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một cặp transducer thu phát, tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào chất lƣợng kênh truyền. Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời điểm khác nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian [86-88]. Do có sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và thu nên cùng một tín hiệu truyền đi sẽ
84
đƣợc thực hiện ở hai vị trí khác nhau điều này tạo nên tính phân tập trong khơng gian tín hiệu.
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 a. Kỹ thuật MRC giải mã tín hiệu thu phân tập a. Kỹ thuật MRC giải mã tín hiệu thu phân tập
Kỹ thuật MRC (Maximal Ratio Combining) đƣợc sử dụng cho trƣờng hợp hệ thống có một anten phát và nhiều anten thu nhƣ hình dƣới đây:
Hình 4.5: Hệ thống anten phát nhiều anten thu (SIMO)
Trong đó X là tín hiệu phát, H là kênh truyền và Y là tín hiệu thu từ N anten.
Y H X. N0 (4.6) Kỹ thuật giải mã tín hiệu theo phƣơng pháp MRC áp dụng cho hệ thống một anten phát nhiều thu đƣợc thực hiện nhƣ sau:
H H H Y X H H (4.7)
với: HHlà chuyển vị và liên hợp phức của H
Kỹ thuật nhiều Transducer thu một phát dựa trên đặc tính phân tập khơng gian của tín hiệu thu đƣợc độ chính xác của tín hiệu thu đƣợc tăng lên khi số lƣợng transducer thu
85
tăng. Tuy nhiên số lƣợng transducer thu khơng thể tăng q lớn vì khi đó hệ thống sẽ trở