Mơ tả q trình đồng bộ thời gian theo phƣơng pháp Schmidl

31

Để xác định điểm bắt đầu của khung, liên hợp phức của nửa đầu đƣợc nhân tƣơng quan mẫu ở nửa cịn lại. Để tính tƣơng quan, ta sử dụng hai cửa sổ trƣợt trên miền thời gian W1 và W2 đều có chiều dài L bằng chiều dài nửa mẫu symbol huấn luyện. Do kích thƣớc cửa sổ là NS / 2 mẫu nên hàm giá trị độ lệch sẽ có một vùng phẳng trong các khoảng CP. Khoảng này khơng có ích trong việc ƣớc lƣợng độ lệch thời gian symbol. Do đó, để khắc phục nhƣợc điểm này ta tính trung bình giá trị tƣơng quan trên độ dài một khoảng CP nhƣ phƣơng trình: M n( ) | ( ) | /( ( )) P n 2 R n 2 (2.2) với: 1 * 0 ( ) L (( l ( ). (l )) i P n  y n i y n i  L (2.3) 1 2 0 ( ) L | l( ) | i R n  y n i L (2.4)

Ta có là tín hiệu thu đƣợc, n là điểm ứng với mẫu đầu tiên trong cửa sổ trƣợt 2L.

b. Phƣơng pháp Minn

Nhằm nâng cao độ chính xác cho phƣơng pháp Schmidl, symbol huấn luyện trong

phƣơng pháp Minn [9] đƣợc chia thành bốn khoảng với mẫu tín hiệu trên hai khoảng sau là đảo của các giá trị trong hai khoảng đầu.

S [ , ,A B  A, B] (2.5)

32 Với L NS / 4, khi đó: 1 * 0 0 ( ) L L l(( 2 ). (i 2 )) k i P n    y n Lki y n Lk i L (2.6) 1 2 0 0 ( ) L L | l( 2 ) | k i R n    y n Lk  i L (2.7) c. Phƣơng pháp Park

Mặc dù phƣơng pháp Minn khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của phƣơng pháp Schmidl, tuy nhiên sai số trung bình bình phƣơng MSE vẫn khá lớn trong kênh bị nhiễu ISI [20]. Do vậy, Park [19] đề xuất phƣơng pháp sử dụng symbol huấn luyện với cấu trúc nhƣ sau:

* * [ , , , ]

S  A B A B (2.8) Để xác định điểm bắt đầu OFDM symbol, phƣơng pháp này cơ bản đƣợc thực hiện giống với phƣơng pháp Minn hay phƣơng pháp Schmidl, chỉ khác một điều cấu trúc symbol huấn luyện S sẽ đƣợc chia thành bốn khoảng A, B, A*, B*, với A*, B* tƣơng ứng là liên hợp phức của A, B, L= NS / 4. Khi đó, P n( ) đƣợc xác định nhƣ sau: / 2 0 ( ) Ns ( ). ( ) l l k P n   y n k y n k  (2.9) /2 2 0 ( ) Ns | ( ) | l k P n   y n k (2.10) d. Phƣơng pháp Seung

Dựa theo phƣơng pháp Park, cấu trúc symbol huấn luyện của phƣơng pháp đƣợc thể hiện nhƣ dƣới đây, với B* là liên hợp phức của mẫu tín hiệu đối xứng với mẫu A.

S[ ,A B*] (2.11) Khi đó, ta có: /2 0 ( ) Ns ( ). ( 1) l l k P n   y n k y n k   (2.12)

33 /2 2 0 1 ( ) | ( / 2 | 2 s N i k P n    y n k N (2.13) 2.2.3. Nhận xét chung

Các phƣơng pháp đồng bộ thời gian dựa symbol huấn luyện ở trên đều cho kết quả đồng bộ rất chính xác. Tuy nhiên, đặc điểm mơi trƣờng thủy âm là băng thơng hạn chế, vì vậy các phƣơng pháp này không phù hợp với kênh truyền dƣới nƣớc bởi khi chèn thêm symbol cấu trúc đặc biệt vào trƣớc frame khiến một phần băng thông hệ thống bị chiếm dụng. Để khắc phục nhƣợc điểm này,tác giả đề xuất một thuật toán đồng bộ thời gian hồn tồn mới, thuật tốn này chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để xác định điểm bắt đầu của khung dữ liệu OFDM để đồng bộ. Chi tiết về thuật tốn sẽ đƣợc trình bày trong phần tiếp đây.

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

Hầu hết các phƣơng pháp đồng bộ thời gian thơng thƣờng sử dụng chuỗi kí tự đặc biệt biết trƣớc hoặc Header nhƣ phƣơng pháp của Schmidl [8], phƣơng pháp của Park và Seung [19]. Các phƣơng pháp này dẫn đến sự thừa của băng thơng để gửi các ký hiệu thí điểm. Do đó, tác giả đề xuất một thuật tốn đồng bộ hóa thời gian cho thơng tin liên lạc âm thanh dƣới nƣớc, sử dụng khoảng bảo vệ (GI) đƣợc lấy ra từ trong ký tự OFDM. Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chống lại nhiễu ISI.

Thông tin dƣới nƣớc (UWA) đang trở thành một trong những vấn đề đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay [6,8]. Việc truyền tin dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) so với tốc độ truyền tín hiệu sóng vơ tuyến trong chân khơng (300,000km/s) nên băng thơng truyền tín hiệu trong nƣớc là rất nhỏ chỉ vài Khz đến vài chục Khz [9,10]. Ngoài ra do suy hao lớn và nhiễu mạnh do ảnh hƣởng của nhiều yếu tố nhƣ mơi trƣờng, sóng, gió và các phƣơng tiện giao thông đƣờng thủy,…. nên khoảng cách truyền tin cũng bị hạn chế rất nhiều chỉ một vài km [11], [12]. Có nhiều kỹ thuật truyền tin đã đƣơc áp dụng cho truyền thông dƣới nƣớc nhƣ ASK, FSK, QAM, đã đƣợc ứng dụng từ lâu nhƣng có bị hạn chế về tốc độ truyền tin do khả năng điều chế nhiều mức kém. Một số công nghệ truyền tin mới đƣợc ứng dụng trong truyền thông dƣới nƣớc nhƣ OFDM [17] đƣợc ứng dụng do khả năng sử dụng hiệu quả băng tần và đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đƣờng tốt [23]. Tuy nhiên OFDM đặc điểm là rất nhạy cảm với sai lệch tần số [24], do vậy nó cần đƣợc đồng bộ chính xác. Do

34

đặc điểm của truyền tín hiệu dƣới nƣớc là bị ảnh hƣởng rất mạnh của nhiễu và tính chất khơng tuyến tính của bộ thu phát sóng âm nên băng tần truyền dẫn bị ảnh hƣởng rất mạnh của lựa chọn tần số. Thêm vào đó do băng thơng rất hạn chế nên cần hạn chế tối đa các thơng tin mào đầu dữ liệu. Vì vậy, luận án đề xuất một phƣơng pháp đồng bộ sử dụng khoảng bảo vệ (GI) của tín hiệu OFDM để xác định điểm bắt đầu của dữ liệu. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là khả năng xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu trong trƣờng hợp có nhiễu mạnh và loại trừ đƣợc ảnh hƣởng của nhiễu khi chƣa có tín hiệu thực sự đƣợc truyền đi.

Trong truyền thơng thủy âm, do đặc điểm sóng âm thanh là suy hao lớn ở tần số cao nên để truyền đi xa thƣờng dùng tần số thấp khoảng vài chục Khz. Trong thực nghiệm sử dụng tần số từ 12-15Khz. Ở tần số này việc điều chế tín hiệu có thể thực hiện trực tiếp ở băng tần cơ sở mà khơng cần qua bƣớc nhân với sóng mang nhƣ các hệ thống OFDM sử dụng sóng radio. Để có thể truyền đƣợc tín hiệu chỉ gồm các giá trị thực sau khi biến đổi IFFT, kỹ thuật ánh xạ sắp xếp tín hiệu lên sóng mang đặc biệt đƣợc sử dụng.

2.3.1. Mô tả hệ thống

Trong môi trƣờng truyền thông tin dƣới nƣớc, thông thƣờng ngƣời ta sử dụng một tần số sóng mang thấp khoảng vài chục kHz để tránh sự mất mát suy hao ở tần số cao. Do vậy tín hiệu sẽ đƣợc 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 tƣơng tự (DAC) giống nhƣ thực hiện trong hệ thống truyền thông tin vô tuyến OFDM. Trong phần này, luận án mô tả một kỹ thuật sắp xếp (mapping) các sóng mang con, để tín hiệu truyền sau khi biến đổi IFFT là một tín hiệu thực. Phần ảo của tín hiệu truyền sẽ bị triệt tiêu. Nhƣ vậy, chúng ta có thể tránh đƣợc việc sử dụng bộ điều chế IQ. Sơ đồ của hệ thống truyền tin dƣới nƣớc đƣợc thể hiện trong Hình 2.4.

35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống OFDM 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): Khối để chèn không

(4): Biến đổi IFFT

(5): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM

(6): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

(7): Bộ biến đổi DAC (8): Bộ biến đổi ADC

(9): Khối thuật toán đồng bộ thời gian (10): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI

(11): Bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)

36

(13): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

(14): Khối giải điều chế M-QAM

(15): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

Chuỗi bit đầu vào đƣợc đƣa qua khối S/P thành K tín hiệu ra song song, sau đó đƣợc điều chế ở khối M-QAM ra K ký hiệu phức. Những ký hiệu này đƣợc thể hiện bởi :

0 1 1

[ , ,..., K ]

S  S S S  , trong đó K (N1) / 2với N là độ dài FFT cũng là số sóng mang của hệ thống OFDM.

Sau khi điều chế M-QAM, khối Zeros Insertion sẽ chèn ký tự “0” vào tín hiệu để đảm bảo tín hiệu sẽ đƣợc truyền ở băng tần thiết kế cũng nhƣ chuyển đổi ký tự phức sang tín hiệu thực và đƣa vào khối IFFT. Kỹ thuật sắp xếp đƣợc mơ tả nhƣ sau:

Hình 2.5. Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM

Trong hệ thống sử dụng khoảng tần số từ fmin12 KHzđến fmax 15 KHzvà tần số lấy mẫu fS 96 KHz. Sau khi áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang, tín hiệu S đƣợc biến đổi sang miền thời gian nhờ khối IFFT, khi đó tín hiệu hồn tồn là tín hiệu thực bởi phần ảo đã bị triệt tiêu. Tiếp theo GI mẫu tín hiệu của S sẽ đƣợc copy và paste vào phần đầu của tín hiệu OFDM để chống nhiễu liên ký tự (ISI). Sau đó, chúng sẽ đƣợc biến đổi sang chuỗi tín hiệu nối tiếp nhờ khối P/S. Trƣớc khi đƣợc gửi đến transducer để truyền trong môi trƣờng nƣớc, tín hiệu số đƣợc biến đổi sang tƣơng tự dƣới dạng sóng âm thanh nhờ khối DAC. Ở phía bên thu tín hiệu sẽ đƣợc giải mã theo trình tự ngƣợc lại. Ở đây chúng ta chú ý thấy trong Hình 2.4 có khác biệt so với các hệ thống OFDM thông

thƣờng ở chỗ có thêm một khối đƣợc gọi là khối đồng bộ thời gian. Trong khối này có chứa thuật thốn đồng bộ thời gian mà luận án sẽ trình bày cụ thể ở phần tiếp dƣới đây.

37

Nhƣ chúng ta đa biết, hầu hết các phƣơng pháp đồng bộ thời gian thơng thƣờng sử dụng chuỗi kí tự đặc biệt biết trƣớc hoặc Header nhƣ phƣơng pháp của Schmidl [20], phƣơng pháp của Park và Seung [21]. Các phƣơng pháp này sử dụng các chuỗi ký tự đặc biệt nên ảnh hƣởng đến hiệu suất sử dụng băng thơng. Do đó, luận án đề xuất một thuật tốn đồng bộ thời gian cho thơng tin liên lạc âm thanh dƣới nƣớc, sử dụng khoảng bảo vệ (GI) đƣợc lấy ra từ trong ký tự OFDM. Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chống lại nhiễu ISI.

Thuật toán đồng bộ đƣợc đề xuất đƣợc mô tả nhƣ sau: cho x n( ) là một tín hiệu truyền qua kênh h n( ). Sau đó, tín hiệu thu đƣợc y n( )có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

y n( )h n( )* ( ) w( )x n  n (2.14) Trong đó w( )n là nhiễu.

Vị trí bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM đƣợc phát hiện bằng cách tìm kiếm vị trí của khoảng bảo vệ. Thuật tốn đề xuất để tìm kiếm GI dựa trên tiêu chí MSE đƣợc mơ tả nhƣ sau:

38 Begin Step1: Caculate Step2: Caculate Step3: Caculate Step4: Step5: : 0 T 0 ( ) | ( : ) ( : ) | L N G i P i y i i G y i N i N G           ( ) ax(P(i))-P(i)) Q i m 0,..., i L N G 0 ( ) | ( : ). ( : ) | L N G i R i y i i G y i N i N G          ( ) ( ). ( ) M i P i R i ( ): ( ) / ax(M(i)) M i M i m 0,..., i L N G  : 1 T T  syn T T End YES NO

Hình 2.6. Thuật tốn đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI

Nội dung của lƣu đồ thuật toán đƣợc diễn giải nhƣ sau:

Bƣớc : Tính tổng chênh lệch biên độ giữa tín hiệu thu đƣợc y i( ) và y i( N)nhƣ sau: 0 ( ) | ( : ) ( : ) | L N G i P i y i i G y i N i N G           (2.15) Với i là chỉ số của mỗi kí tự OFDM, G là độ dài chuỗi bảo vệ GI, Llà độ dài của tín hiệu y n( )và N là độ dài FFT.

Bƣớc 2: Tính tốn hàmQ i( ) nhƣ sau:

Q i( )max(P(i)) - P(i) (2.16) Với : i0,...,L N G

39

Bƣớc 3: Nhân tín hiệu y i( ) và y i( N)nhƣ sau: 0 ( ) | ( : ). ( : ) | L N G i R i y i i G y i N i N G          (2.17) Bƣớc 4: Ma trận thời gian M i( )P i R i( ). ( ) đƣợc xác định bằng cách nhân P i( )với

( )

R i nhƣ sau:

M i( )P i R i( ). ( ) (2.18) Bƣớc 5: Chuẩn hóa ma trận thời gian M i( )P i R i( ). ( ):

M i( ):M i( ) /max(M(i)) (2.19) Với i0,...,L N G.

2.3.2. Kết quả thực nghiệm

Hệ thống đƣợc thực nghiệm tại Hồ Tiền- Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Hệ thống đƣợc thiết lập với khoảng cách giữa bên phát và thu là 60m với độ sâu là 1m. Các tham số của hệ thống đƣợc cho nhƣ bảng sau:

Bảng 2. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng thuật tốn đồng bộ thời gian

Thơng số Giá trị

Hệ thống SISO 1phát-1 thu

Tần số lấy mẫu 96kHz

Băng thông 12-15Khz

Độ dài FFT 4096

Độ dài khoảng bảo vệ GI 1024

Kiểu điều chế QPSK

Độ dài OFDM 51.21 ms

Khoảng cách giữa các sóng mang con 23.4375Hz

Ở đây transducer và hydrophone đƣợc sử dùng kèm mạch khuếch đại và máy tính có card âm thanh để xử lý tín hiệu. Các kết quả thu đƣợc sẽ đƣợc xử lý bằng phần mềm tại phòng WICOM Lab.

40

Hình 2.7. Hệ thống OFDM thực nghiệm

Hình 2.8. Tín hiệu OFDM thu được trên hệ thống tại Hồ Tiền

Kiểm tra hàm mật độ xác suất của biên độ tín hiệu tín hiệu thủy âm thu đƣợc ta thấy nó có dạng chuẩn của phân bố Rayleigh.

41

Hình 2.9. Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu được

Để kiểm tra kết quả của phƣơng pháp này, ta sẽ đi so sánh với kết quả khi sử dụng phƣơng pháp Schmidl đối với hệ thống thử nghiệm trên Hồ Tiền. Kết quả so sánh tại

Hình 2.10 cho thấy tín hiệu của phƣơng pháp mà luận án trình bày có sự ổn định hơn so

với phƣơng pháp Schmidl.

42

Tiếp theo ta so sánh tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hai phƣơng pháp:

Hình 2.11. So sánh SNR giữa hai phương pháp

Cuối cùng là mơ hình chịm sao tín hiệu thu đƣợc. Qua đó, ta thấy phân bố của các điểm xung quanh chòm sao rất nhỏ và tập trung nên biên độ và pha của tín hiệu thu đƣợc sẽ cho kết quả tốt hơn so với phƣơng pháp Schmidl.

Schmidl’s method Proposed method

Hình 2.12. Chịm sao tín hiệu thu được sau giải mã của 2 phương pháp

43

2.4. Kết luận chƣơng

Đồng bộ thời gian trong hệ thống OFDM là vô cùng quan trọng quyết định đến hiệu suất của hệ thống OFDM. Các thuật toán đồng bộ thời gian chủ yếu sử dụng chuỗi symbol huấn luyện cho kết quả đồng bộ tốt nhƣng lại lãng phí băng thơng và giảm tốc độ truyền dữ liệu. Phƣơng pháp do luận án trình bày đã giải quyết tốt vấn đề hiệu quả sử dụng băng thông, do chỉ sử dụng chuỗi GI để đồng bộ, đồng thời các kết quả thực nghiệm đã chứng minh phƣơng pháp do tác giả đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với các phƣơng pháp hiện nay.

Kết quả của chƣơng này đã đƣợc công bố trong bài báo sau:

C1. Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen, Viet Ha Do and Van Duc Nguyen (Hanoi

Unversity of Science and Technology, Vietnam) A Time Synchronization Method for OFDM-Based Underwater Acoustic Communication Systems, In 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp131-134, 2016.

44

CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC

3.1. Giới thiệu chƣơng

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. Trƣớc tiên ta cần nghiên cứu về hiện tƣợng Doppler cho hệ thống OFDM.

3.2. Đặc điểm của hiện tƣợng Doppler

Hiện tƣợng Doppler không ảnh hƣởng nhiều tới hiện tƣợng co giãn thời gian, ví dụ với vận tốc 1 m/s gây ra độ dịch tần bằng 15 Hz nhƣng chỉ gây ra sai lệch 1 mẫu cho mỗi một ký tự OFDM. Một phƣơng pháp bù dịch tần Doppler mới bao gồm hai giai đoạn mà khơng cần phải lấy mẫu tín hiệu lại. Giai đoạn đầu là q trình xoay ngƣợc pha trƣớc