9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
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 thơng 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 cơng 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 môi 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 khơng 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 nên phức tạp.
b. Đề xuất phƣơng pháp giải mã tối ƣu cho N tín hiệu thu có phân tập khơng gian- thời gian
Đối với tín hiệu thủy âm, tín hiệu nhận đƣợc là N khung. Khi đó việc sử dụng N khung để giải mã tín hiệu theo phƣơng pháp MRC không phải là lựa chọn tối ƣu bởi vì thực tế có sự khác biệt lớn về chất lƣợng tín hiệu giữa các khung truyền. Vì vậy nếu áp dụng kỹ thuật MRC cho N khung thì chƣa phải là giải pháp tối ƣu nhất. Còn nếu áp dụng phƣơng pháp giải mã tối ƣu, nghĩa là kết hợp tất cả các trƣờng có có thể xảy ra với N khung thì sẽ có tất cả Q khả năng: N i i N C Q (4.8)
Với giá trị N lớn (ví dụ với N=5 thì sẽ có 55 khả năng). Điều này sẽ khơng phù hợp với một ứng dụng truyền thông tin thời gian thực hoặc sẽ ảnh hƣởng tới tốc độ truyền tin. Để lựa chọn phƣơng án tốt nhất, luận án đề xuất thuật tốn giải mã tối ƣu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận đƣợc. Thuật tốn giải mã đƣợc mơ tả nhƣ lƣu đồ dƣới đây:
86
Sai Đúng
Sai Đúng
Hình 4.6. Lưu đồ thuật tốn giải mã N khung tín hiệu
Để áp dụng sơ đồ thuật tốn trong Hình 4.6, cần ƣớc lƣợng tỷ lệ lỗi ký tự khi giải mã tín hiệu thu. Để ƣớc lƣợng tỷ lệ lỗi ký tự SER ta phải sử dụng thuật tốn ƣớc lƣợng kích thƣớc các ngơi sao trong chịm sao tín hiệu M-QAM bằng cách tính kích thƣớc vịng trịn có bán kính r (vịng trong màu đỏ trong hình 4.7) xung quanh mỗi điểm tín hiệu
chuẩn trong chòm sao M-QAM. Với giá trị r càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi tín hiệu SER sẽ càng bé.
87
Hình 4.7. Độ hội tụ các điểm tín hiệu của chịm sao M-QAM
Thuật tốn sử dụng để tính tốn kích thƣớc trung bình các ngơi sao trong chịm sao tín hiệu X thu đƣợc từ quá trình giải mã các khung tín hiệu OFDM cơng thức (4.8) đƣợc thực hiện nhƣ sau:
B1: Giải điều chế tín hiệu X thu đƣợc Xr B2: Tái điều chế tín hiệu Xr đƣợc tín hiệu Xq B3: Tính khoảng cách giữa hai tín hiệu X và Xq:
d mean X Xq (4.9) Khoảng cách trung bình này càng nhỏ nghĩa là vịng trịn có bán kích r trên Hình 4.7
càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi SER của tín hiệu càng thấp.
Trong sơ đồ thuật tốn Hình 4.6 có thể đƣợc chia thành hai bƣớc:
+ Bƣớc : Khi nhận đƣợc N khung dữ liệu, trƣớc tiên hệ thống sẽ ƣớc lƣợng tỷ lệ SER
của tất cả các khung tín hiệu dựa trên thuật tốn ƣớc lƣợng SER ở trên. Tiếp đó sẽ sắp xếp lại thứ tự các khung theo trình tự SER của các khung từ bé đến lớn. Đặt giá trị
SER_min bằng SER của khung đầu tiên.
+ Bƣớc 2: Kết hợp nhiều khung để giải mã theo phƣơng pháp MRC. Gọi Ci là tập hợp
các khung từ 1 đến i, trƣớc tiên cho i=2, nhƣ vậy tập đầu tiên C2 sẽ gồm hai khung số 1 và 2, giải mã MRC đƣợc áp dụng cho khung i khung liên tiếp. Tỷ lệ lỗi SER_Ci sẽ đƣợc tính lại cho i khung. Nếu tỷ lệ lỗi này thấp hơn tỷ lệ lỗi của lần tính trƣớc đó thì tiếp tục tăng i=i+1 cho khung tiếp theo. Còn nếu tỷ lệ SER lớn hơn so với SER_min thì quá trình sẽ dừng lại.
88
4.5.3. Thực nghiệm, mô phỏng hệ thống và kết quả:
Luận án sẽ thực hiện bằng 2 cách mô phỏng và thực nghiệm.
Trƣớc tiên là thực hiện mô phỏng trong trƣờng hợp điều chế 16-QAM. Tín hiệu nhận đƣợc là 10 khung (N=10). Các khung này có giá trị SNR giảm dần so với tín hiệu SNR của khung đầu tiên SNR_max=5 (dB) theo bảng sau:
Bảng 5. SNR của các khung truyền dữ liệu
Khung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
SNR 1 1.4142 2.2361 3.1623 3.8730 4.4721 5 5.4772 5.9161 6.3246
Hình 4.8. Kết hợp các khung giải mã MRC theo thứ tự SNR giảm dần
Từ Hình 4.8 ta nhận xét là việc sử dụng 3 khung tốt nhất trong số 10 khung tín hiệu nhận đƣợc là có hiệu quả. Việc sử dụng thêm các khung có chất lƣợng tín hiệu kém khơng làm tăng hiệu quả giải mã tín hiệu theo phƣơng pháp MRC. Tuy nhiên đây chỉ là kết quả mô phỏng với giá trị SNR ở trong Bảng 5.
89
Trong Hình 4.9 trục SNR là giá trị SNR nhỏ nhất các khung cịn lại có giá trị SNR tăng dần với bƣớc tăng 2dB. Kết quả cho thấy việc sử dụng kỹ thuật MRC để kết hợp giải mã N khung tín hiệu là khơng hiệu quả. Phƣơng pháp đề xuất có hiệu quả xấp xỉ với phƣơng pháp tối ƣu. Tuy nhiên phƣơng pháp tối ƣu với N khung sẽ phải thực hiện N
i i N
C
Q sự
kết hợp (ví dụ với N=10 thì sẽ có 1023 khả năng xảy ra) cịn theo phƣơng pháp đề xuất thì chỉ cần thực hiện 2N-1 khả năng.
Hình 4.10. Mơ hình thực nghiệm tại Hồ Tiền
Sau đó, kết quả đƣợc xử lý bằng phần mềm do Phịng thí nghiệm Truyền thơng không 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 thông 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 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.
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.