3.5.6. Nhận xét
Phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler có các ưu điểm vượt trội là: phần giải mã chỉ sử dụng một bước 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 chương
Việc áp dụng phương pháp đề xuất cho phép tăng hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống OFDM. Cho phép truyền tín hiệu OFDM ở dưới nước 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 tương đương với tốc độ di chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu là hàng trăm m/s còn trong thực nghiệm tại hồ Tiền trường Đại học Bách Khoa Hà nội là <4m/s. Kết quả này có thể ứng dụng cho thơng tin và tầu ngầm, người nhái và điều khiển các robot tự hành dưới biển.
RX0
PP GM2B PP GMTT
Kết quả của chương này đã được công bố trong bài báo và công bố khoa học sau: J2. Đỗ Đình Hưng, Nguyễn Quốc Khương (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội),
“Phương pháp bù dịch tần Doppler dựa trên chuỗi tín hiệu hình sin cho hệ thống OFDM truyền thơng 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.
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 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 Cơng nghệ.
CHƯƠNG 4 TRUYỀN THƠNG DƯỚI NƯỚC 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 chương
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 thơng. Do đặc điểm của kênh thơng tin dưới nước 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 được áp dụng trong truyền thông dưới nước. Việc sử dụng MIMO cho kênh truyền dưới nước cũng khơng khác gì với kênh sử dụng sóng vơ tuyến thơng thường, chỉ khác là với tín hiệu sóng điện từ sử dụng hệ thống anten thu- phát, cịn với sóng âm thì sử dụng hệ thống transducer thu-phát.
4.2. Mơ hình hệ thống MIMOHình 4.1. Mơ hình hệ thống MIMO Hình 4.1. Mơ hình hệ thống MIMO TX0 TX1 TX(Nt-1) Máy phát RX(Nr-1) Máy thu
1
1
0
Hệ thống gồm có sau:
Nt anten phát và Nr anten thu được biểu diễn theo mơ hình rời rạc như
y h11h12 ............ h1N x n t 1 y2 . h21h22........h2 Nt . x2 . n2 . = + (4.1) . . . . .. .. yN h h .... h xN nN r Nr 1 Nr 2 Nr Nt t t
Mơ hình được biểu diễn dưới dạng:
y = h.x + n0 (4.2)
Với y
∈CNr là tín hiệu nhận được từ
Nr chiều từ Nr anten thu.
n ∈CNr
kí hiệu nhiễu Gausse trắng N(0,σ 2 ).
h ∈CNR
×Nt
là ma trận kênh truyền chứa các hệ số phức hij, kích thước 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 trường vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường 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 nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong mơi trường fading. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền.
Có nhiều cách để thu được phân tập như 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 được khi thực hiện mã hóa và ghép xen thơng tin được mã hóa và các ký hiệu mã hóa được phân tán theo thời gian trong các chu
kỳ kết hợp khác nhau để các các phần khác nhau của từ mã có thể độc lập khi xảy ra hiện tượng fading.
Giả sử ta phát một từ mã x =[x1,x2,....xL ] chiều dài ký hiệu L và tín hiệu thu là:
yl = hl xl +
wl ,l = 1; 2;...;
L (4.3)
Giả sử ghép xen lý tưởng để các ký tự liên tiếp xl được phát đủ xa theo thời gian,
ta có thể giả thiết rằng hl là độc lập. | hl | l Ghép khơng xen Ghép xen
Hình 4.2. Từ mã được phát có xen và khơng xen
Trong Hình 4.2, các từ mã được truyền các các ký hiệu liên tiếp nhau và được ghép xen, từ mã
x2 bị 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 hưởng 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 lượng thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập [87]. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông kết hợp
Từ mãx3 x2 Từ mã x1 Từ mã x0 Từ mã
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 đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ tín hiệu. Trong trường 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 dư 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 được. Lúc này có thể sử dụng một loại phân tập khác gọi là phân tập anten hay phân tập không gian [86-88]. Phân tập không gian có thể thu được 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 mơi trường tán xạ cũng như 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 được có thể thay đổi lớn qua một vài chiều dài bước sóng trong mơi trường nhiều tín hiệu đa đường. Xác suất lỗi bit ( Pe ) của QPSK trong các kênh fading Rayleigh là xấu. Nếu bộ thu thu được vài kênh fading độc lập, mỗi sóng mang cùng tín hiệu, nó có thể kết hợp thơng tin mỗi đường dẫn để giảm Pe tại máy thu. Ngoài ra, các kỹ thuật phân tập thu có độ phức
tạp thấp hơn như phân tập chuyển mạch tức là lựa chọn thay đổi anten nếu cường độ tín hiệu anten thu hiện tại bị rơi xuống dưới một ngưỡng xác định.
-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 u 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 lượng của tín hiệu.
4.4. Dung lượng 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 lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Dung lượng hệ thống này còn được 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 được 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 lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể được xác định theo cơng thức:
C = log2 (1+ NT .NR
.SNR) (4.4)
Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định theo cơng thức sau:
C = min(NT , NR ).log2 (1+
SNR) (4.5)
Ưu 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 khơng cần tăng cơng 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 lượng hệ thống.
•Tăng hiệu quả phổ: Bằng cách sử dụng ghép kênh khơng gian, thời gian. •Tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông.
Nhược điểm hệ thống MIMO
•Tăng độ phức tạp trong xử lý tín hiệu phát và thu.
•Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu cùng với một băng
tần.
4.5. Đề xuất phương pháp phân tập không gian thời gian cho truyền thông dướinước chỉ sử dụng một cặp anten thu phát (SISO) nước chỉ sử dụng một cặp anten thu phát (SISO)
4.5.. Đặt vấn đề
Hệ thống nhiều anten thu phát được 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 lượng tín hiệu thu. Việc sử dụng nhiều anten thu phát có được nhờ vào đặc tính phân tập về khơng gian và thời gian của tín hiệu sóng vơ tuyến. Kỹ thuật phân tập khơng gian được hiểu như 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 được 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 được áp dụng như STBC, SFBC, Alamouiti…
Trong môi trường truyền thông 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 [26-29]. 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 không gian và thời gian của tín hiệu là rất cần thiết. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp với hệ thống có quá nhiều transducer sẽ trở nên cồng kềnh tiêu tốn nhiều năng lượng và cản trở sự chuyển động của thiết bị. Trong nội dung chính của chương 4, đề xuất 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.
Phương pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một cặp transducer thu phát, tín hiệu truyền đi được lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào chất lượng kênh truyền. Các tín hiệu được 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 tương đối giữa bên phát và thu nên cùng một tín hiệu truyền đi sẽ
được 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 giana. 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) được sử dụng cho trường hợp hệ thống có một anten phát và nhiều anten thu như hình dưới 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 phương pháp MRC áp dụng cho hệ thống một anten phát nhiều thu được thực hiện như sau:
H HY X =
H H H (4.7)
với: H H là 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 được độ chính xác của tín hiệu thu được tăng lên khi số lượng transducer thu
Q =
∑C N
tăng. Tuy nhiên số lượng transducer thu khơng thể tăng q lớn vì khi đó hệ thống sẽ trở nên phức tạp.
b. Đề xuất phương pháp giải mã tối ưu cho N tín hiệu thu có phân tập khơng gian- thời gian
Đối với tín hiệu thủy âm, tín hiệu nhận được là N khung. Khi đó việc sử dụng N khung để giải mã tín hiệu theo phương pháp MRC khơng phải là lựa chọn tối ưu bởi vì thực tế có sự khác biệt lớn về chất lượng tín hiệu giữa các khung truyền. Vì vậy nếu áp dụng kỹ thuật MRC cho N khung thì chưa phải là giải pháp tối ưu nhất. Còn nếu áp dụng phương pháp giải mã tối ưu, nghĩa là kết hợp tất cả các trường có có thể xảy ra với N khung thì sẽ có tất cả Q khả năng:
N
i (4.8)
i
Với giá trị N lớn (ví dụ với N=5 thì sẽ có 55 khả năng). Điều này sẽ không phù hợp với một ứng dụng truyền thông tin thời gian thực hoặc sẽ ảnh hưởng tới tốc độ truyền tin. Để lựa chọn phương án tốt nhất, luận án đề xuất thuật tốn giải mã tối ưu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận được. Thuật tốn giải mã được mơ tả như lưu đồ dưới đây:
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 ước lượng tỷ lệ lỗi ký tự khi giải mã tín hiệu thu. Để ước lượng tỷ lệ lỗi ký tự SER ta phải sử dụng thuật toán ước lượng