BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ VIỆT HÀ MÔ HÌNH ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CHO THÔNG TIN THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2017 Công trình hoàn thành Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Đức TS Phạm Văn Tiến Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam GIỚI THIỆU Lý chọn đề tài Hệ thống thông tin nước có nhiều ứng dụng thương mại quân Hiện nay, việc phát triển nâng cao chất lượng dịch vụ hệ thống đối mặt với nhiều thách thức giới hạn phổ tần số, tính biến động theo thời gian kênh pha đinh sóng âm môi trường nước Do đặc tính phức tạp kênh thủy âm, cần xét kênh thủy âm theo điều kiện môi trường địa lý khác Do đó, luận án tập trung vào hai mục tiêu mô hình kênh phân tích hiệu hệ thống thông tin thủy âm Tình hình nghiên cứu nước Trong vài thập kỷ qua, có nhiều mô hình kênh thủy âm đề xuất chưa có mô hình kênh tiêu chuẩn áp dụng chung cho tất kênh thủy âm khác biệt điều kiện địa lý, thời tiết theo mùa [24, 70, 73, 88, 93, 96] Hiện có hai phương pháp để xây dựng mô kênh truyền thủy âm là: phương pháp dựa mô hình hình học phương pháp dựa liệu đo Các mô dựa mô hình hình học dùng mô hình với yếu tố hình học để xác định tham số mô hình kênh truyền Mã Bellhop ví dụ điển hình cho phương pháp này, xây dựng mô hình kênh thủy âm dùng lý thuyết tia không xét đến biến đổi ngẫu nhiên kênh [75] Để khắc phục, số nghiên cứu dựa mô hình Bellhop kết hợp với điều kiện môi trường, chẳng hạn nhiệt độ độ mặn [89], tốc độ gió [28], hình dạng bề mặt nước [37] Một cách khác để xây dựng mô kênh dựa mô hình hình học kết hợp lý thuyết tia với phương pháp thống kê để mô tả môi trường truyền sóng thủy âm [13, 17, 27, 55, 73, 75, 103, 104] Phương pháp có ưu điểm mô tả kênh cách tổng quát với số lượng tham số cần ước lượng có khả mở rộng theo tham số hình học, điều kiện môi trường; thường dùng cho mục đích nghiên cứu tham số [55] Nhược điểm kênh mô tạo khó trùng khớp với kênh thực tế thời điểm cụ thể khó xác định xác tham số môi trường nước nông Phương pháp mô hình kênh dựa liệu đo xây dựng từ số liệu đo kênh thủy âm vùng cụ thể [24, 74, 76, 85, 105] Bộ mô kênh truyền dựa liệu đo không yêu cầu tham số vật lý đầu vào vốn khó xác định xác theo thời gian Ưu điểm bật phương pháp kênh mô tạo tái tạo xác kênh thực tế Nhược điểm phương pháp áp dụng cho môi trường thời điểm định theo kênh đo đạc Ngoài ra, cần áp dụng thuật toán tối ưu để ước lượng số lượng lớn tham số khiến độ phức tạp tính toán phương pháp lớn phương pháp dùng mô hình hình học Tuy nhiên, để triển khai tối ưu hệ thống thực tế việc đo kênh bắt buộc Tại Việt nam, nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin thủy âm tăng nhanh quốc phòng thương mại, nhiên nhiều nghiên cứu thông tin thủy âm, đặc biệt lĩnh vực mô hình kênh [2, 3, 6] Trong nghiên cứu [1, 4, 5, 7, 8], số đặc tính truyền sóng thủy âm khảo sát chưa đưa mô hình kênh toàn diện Trong [6], tác giả mô kênh tia truyền sóng âm qua việc giải hệ phương trình Eikonal với đầu vào tham số môi trường Các tham số khó xác định xác tính phức tạp môi trường truyền sóng thủy âm Thêm vào đó, tia sóng âm mô không phản ánh tính biến động theo thời gian, khó áp dụng để mô hình kênh thủy âm thực tế hầu hết trường hợp Mục tiêu luận án Luận án tập trung vào việc xây dựng phương pháp hiệu đủ xác để thiết kế mô kênh thủy âm dựa liệu đo đạc môi trường nước nông Mô hình mô dùng việc khảo sát chất lượng hệ thống thông tin thủy âm dùng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM Động lực nghiên cứu Hai phương pháp thiết kế mô kênh truyền thủy âm, phương pháp dùng mô hình hình học dùng liệu đo kênh, có ưu nhược điểm định Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng để chọn phương pháp thiết kế Trong luận án này, tác giả tập trung vào phương pháp dùng liệu đo để xây dựng mô kênh phục vụ cho việc tối ưu triển khai hệ thống thực tế Độ phức tạp tính toán số lượng lớn tham số phương pháp động lực để luận án đề xuất phương pháp thiết kế nhằm giảm độ phức tạp tính toán đồng thời mô tả kênh thủy âm thực tế Bên cạnh đó, để thiết kế khảo sát chất lượng hệ thống thông tin thủy âm, cần dựa việc phân tích hàm đặc trưng cho kênh thủy âm gồm hàm tương quan, mật độ phổ công suất Doppler (PSDs) hàm công suất trễ (PDP) [55, 56] Trong thực tế, nghiên cứu phổ Doppler lại hạn chế [94, 101] đóng vai trò quan trọng việc đánh giá hệ thống thông tin thủy âm Đó động lực cho việc phân tích đề xuất mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm vùng nước nông, nơi có hiệu ứng Doppler mạnh nhiễu động bề mặt Một nhiệm vụ quan trọng việc phân tích đánh giá chất lượng hệ thống thông tin (HTTT) thủy âm Trong đó, kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM áp dụng rộng rãi HTTT thủy âm loại bỏ nhiễu liên ký tự (ISI) [10, 22, 42, 68, 86] đồng thời làm tăng hiệu phổ so với hệ thống đơn sóng mang Tuy nhiên hệ thống OFDM lại nhạy với dịch tần Doppler sóng mang tính trực giao tạo nhiễu liên kênh ICI Một số nghiên cứu dựa vào giả thiết phổ Doppler dạng phổ Jake, phổ phân bố phổ hai đường [9, 22, 47, 86] để phân tích ảnh hưởng nhiễu ICI lên chất lượng hệ thống Tuy nhiên giả thiết chưa xác nhận tính đắn Luận án xem xét ảnh hưởng nhiễu ICI cách sử dụng mô kênh dựa liệu đo, phản ảnh đầy đủ tính chất thực tế kênh thủy âm thực tế Hơn nữa, nhiễu HTTT thủy âm xét nhiễu màu không coi nhiễu trắng Và hai loại nhiễu xem xét để đánh giá tác động tổng hợp chúng lên chất lượng hệ thống thủy âm OFDM, khác với số nghiên cứu xét loại nhiễu coi nhiễu môi trường nhiễu trắng [9, 22, 86] Đóng góp luận án Luận án tập trung vào việc phân tích phương pháp mô hình kênh truyền thủy âm vùng nước nông khảo sát chất lượng HTTT thủy âm, đóng góp luận án sau: Đề xuất phương pháp thiết kế mô kênh thủy âm đơn giản tính toán mô tả đặc tính kênh thủy âm đo đạc thực tế Đóng góp trình bày [J2], mô kênh theo phương pháp hình học ứng dụng [C1], theo phương pháp dựa dự liệu đo [J1],[J2] Phân tích sở lý thuyết hiệu ứng Doppler thông tin nước từ nguyên nhân: chuyển động tương đối máy thu máy phát, dịch chuyển phức tạp mặt nước Từ đó, đề xuất mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm xác nhận tính xác thông qua liệu đo phổ Doppler thực tế Đóng góp công bố [J3] Thực phân tích nhiễu ICI kết hợp với nhiễu môi trường đến HTTT thủy âm dùng kênh mô dựa liệu đo Dựa kết phân tích tỷ số SIR, SINR dung lượng kênh, thông số thích hợp cho HTTT thủy âm xác định Các kết có ích việc lựa chọn tham số tối ưu thiết kế HTTT thủy âm Nội dung đóng góp công bố [J1], [C1] [C2] Bố cục luận án Luận án gồm chương Chương tập trung phân tích đề xuất phương pháp thiết kế mô kênh thủy âm Chương đề xuất kiểm chứng mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm nước nông Kháo sát chất lượng HTTT thủy âm dùng kỹ thuật OFDM trình bày chương Chương THIẾT KẾ BỘ MÔ PHỎNG KÊNH THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG Chương phân tích phương pháp thiết kế mô kênh thủy âm đề xuất phương pháp hiệu có độ xác cao, đồng thời giảm độ phức tạp tính toán Ưu điểm phương pháp đề xuất tham số mô hình kênh trích xuất trực tiếp từ liệu đo 1.1 Mô hình mô Để mô tả kênh phức tạp kênh thủy âm nước nông, mô hình kênh băng rộng không tương quan dạng tổng hàm sin phức (SOCUS) dùng phổ biến [38, 56] Đáp ứng xung (TVCIR) mô hình kênh sau [62] L−1 Nl cn,l ej (2πfn,l t+θn,l ) δ (τ − τl ) , h (τ, t) = (1.1) l=0 n=1 L số đường truyền sóng có trễ truyền lan τl khác nhau, Nl số đường truyền có trễ truyền lan τl Mỗi thành phần thứ n đường truyền thứ l đặc trưng biên độ cn,l , tần số Doppler fn,l pha θn,l Giả thiết mô hình kênh dừng theo nghĩa rộng, hàm tương quan thời gian tần số T-FCF tính sau [62]: L−1 Nl c2n,l ej2π(fn,l ∆t−τl ∆f ) RHH (∆f, ∆t) = (1.2) l=0 n=1 1.2 Đề xuất phương pháp thiết kế cho kênh tĩnh Hình 1.10: Lưu đồ thực phương pháp đề xuất cho thiết kế mô kênh tĩnh (máy thu phát cố định) Các bước thiết kế lưu đồ Hình 1.10 mô tả sau: • Bước 1: Dựa vào liệu đo kênh thực tế, hàm PDP ρˆ (τl ), với l = 0, 1, , L − 1, xác định • Bước 2: Mô hình mô phương pháp đề xuất dùng mô hình SOCUS, phù hợp để thiết kế mô dựa liệu đo Với trường hợp kênh tĩnh, máy thu phát cố định nên dịch tần Doppler Do đó, đặc tính thống kê kênh mô tả hàm tương quan tần số FCF RHH (∆f ) sau: L−1 Nl c2n,l e−j2π∆f τl RHH (∆f ) = (1.3) l=0 n=1 với L lấy trực tiếp từ PDP đo • Bước 3: Xác định tham số cho mô hình kênh mô Trễ truyền dẫn τl , với l = 0, 1, , L − 1, trích trực tiếp từ PDP đo ρˆ (τl ), biên độ đường cn,l tính từ PDP ρˆ (τl ) sau: cn,l = ρˆ (τl ), (1.4) với n = 1, 2, , Nl Số lượng thành phần Nl đường truyền, ˆ (τl , t) đo với l = 0, 1, , L − 1, lấy trực tiếp từ TVCIR h Tóm lại, toàn thông số mô hình đề xuất lấy từ liệu đo (hàm trễ công suất PDP kênh thủy âm thực tế) mà không cần áp dụng phương pháp tính toán tối ưu Normalized FCF 0.8 0.6 0.4 0.2 -600 Reference model Measurement-based simulation model Geometry-based simulation model The proposed simulation model -400 -200 200 ∆ f [Hz] 400 600 Hình 1.11: So sánh hàm tương quan tần số FCF kênh đo thực tế phương pháp mô Để đánh giá tính xác mô đề xuất, hàm tương quan tần số FCF mô hình mô thu phương pháp dựa Bảng 1.2: So sánh phương pháp thiết kế mô kênh thủy âm Dựa mô Dựa liệu Phương pháp đề Phương pháp hình hình học đo xuất Yêu cầu phương pháp tính Có Có Không toán tối ưu Các thông số Hàm PDP đo Hàm PDP đo Dữ liệu vào yêu hình học môi kênh kênh cấu trường kênh thực tế thực tế thủy âm Tham số Số lượng Vị trí điểm đường truyền L × tham số kênh cần None phản xạ xopt opt opt i,n N × c , τ ước lượng l n,l l Sai số MSE 0.3824 1.2607 × 10−16 1.5010 × 10−16 với l = 0, 1, , L − Nl chọn với phương pháp truyền thống để dễ so sánh độ phức tạp tính toán Do đó, hàm FCF mô hình mô tính từ thông số xác định {Nl , cn,l , τl } theo (1.5) • Bước 4: Thuật toán tối ưu LPNM áp dụng để ước lượng tham số mô Trong phương pháp đề xuất, có tần số Doppler fn,l đường truyền cần phải ước lượng cách tối thiểu hóa hàm sau:  E= ∆tmax  p1 ∆tmax p ˆ HH (∆t) d (∆t) , RHH (∆t) − R (1.8) ˆ HH (∆t) hàm TCF mô hình mô với RHH (∆t) R mô hình tham chiếu Biến thời gian ∆t lấy theo liệu đo Ta thấy tập tham số kênh {Nl , cn,l , fn,l , τl } xác định với số tham số cần ước lượng giảm Cụ thể phương pháp đề xuất, số lượng tham số cần ước lượng L × Nl phương pháp truyền thống × L × Nl Do đó, độ phức tạp tính toán giảm phần ba so với phương pháp truyền thống Để đánh giá chất lượng phương pháp đề xuất, ta so sánh tính chất thống kê với kênh đo Hình 1.17 thể hàm tương quan tần số-thời gian TFCF mô hình tham chiếu mô hình mô Ta thấy hai hàm phù hợp, nói cách khác mô hình mô tái tạo lại kênh thủy âm thực tế đo 11 Reference T-FCF Proposed simulation T-FCF 12 Normalized T-FCF 0.8 0.6 0.4 0.2 800 600 1.5 400 200 0.5 0 -200 -0.5 -400 ∆ f [Hz] -1 -600 -800 -1.5 ∆ t [s] Hình 1.17 So sánh hàm tham chiếu T-FCF từ liệu đo hàm T-FCF mô hình mô theo phương pháp đề xuất Chương MÔ HÌNH PHỔ CÔNG SUẤT DOPPLER CHO KÊNH THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG 2.1 Đề xuất mô hình phổ Doppler Để phân tích lý thuyết hiệu ứng Doppler kênh thủy âm ta xem xét mô hình hình học hệ tọa độ 3D cho môi trường nước nông Hình 2.1, mô hình mở rộng từ mô hình 2D [55] Các điểm tán xạ Si,n (n = 1, 2, , Ni i = 1, 2) giả sử phân phối ngẫu nhiên bề mặt (i = 1) đáy (i = 2) môi trường nước nông Góc tới (AOA) đường thứ n ký hiệu αi,n Trong kịch xem xét, máy phát Tx cố định máy thu Rx di chuyển với vận tốc VR theo hướng xác định góc chuyển động αVR VSn vận tốc chuyển động bề mặt điểm tán xạ S1,n bề mặt Mô hình phổ Doppler gồm hai thành phần Doppler gây dịch chuyển sóng bề mặt gây máy thu chuyển động Mô hình cho thành phần Doppler dịch chuyển sóng bề mặt Điểm tán xạ từ sóng bề mặt xảy theo chế khác nhau: tán xạ Bragg, Burt (hay gọi Spike) Whitecap Mỗi chế tán xạ phổ Doppler tạo bới chế góp phần vào tín hiệu tán xạ mô tả [98, 99, 100] Có số mô hình toán học cho phổ Doppler sóng bề mặt gây tác giả Lee [45], Walker [98, 99], Ward cộng [100] đưa Trong số đó, mô hình Walker mô tả toàn phổ 13 Hình 2.1: Mô hình kênh thủy âm vùng nước nông Doppler chế tán xạ Bragg, Whitecap Burst tổng phổ dạng Gaussian Điểm phổ dạng Gaussian đặc trưng phổ Doppler chế tán xạ từ điểm tán xạ có tốc độ dịch chuyển không cố định, biến động khoảng [77] Cơ chế tương tự chế chuyển động điểm tán xạ mặt nước có vận tốc biến đổi nhanh theo thời gian Do phổ dạng Gaussian phù hợp để mô tả thành phần Doppler SSurface (f ) dịch chuyển bề mặt gây ra, tính [98] f −fm (2.1) SSurface (f ) = √ e−( w ) , w π Trong w băng thông phổ, fm dịch tần Doppler dịch chuyển bề mặt tạo Mô hình thành phần Doppler chuyển động máy thu Rx Trong môi trường nước nông, tán xạ bề mặt tán xạ từ đáy tạo hiệu ứng đa đường mạnh đường truyền thẳng Hiệu ứng đa đường tương tự kênh vô truyến có tượng đa đường với số lượng lớn tín hiệu phản xạ tán xạ [36] Tham khảo mô hình kênh mạng không dây WLAN (Wireless Local Area Network) chuẩn 820.11 TGn [53], hiệu ứng Doppler gây chuyển động phương tiện mô tả dạng phổ Spike Kênh thủy âm nước nông kênh WLAN có hiệu ứng đa đường tương tự từ việc quan sát dạng phổ công suất 14 Doppler từ thử nghiệm thực tế nên ta sử dụng dạng phổ Spike để mô hình hóa thành phần Doppler SRx (f ) chuyển động máy thu Rx môi trường nước nông Do thành phần Doppler SRx (f ) mô tả sau [53] SRx (f ) = , (2.2) f −fSpike + C fSpike Trong fSpike dịch tần Doppler có công suất lớn Rx chuyển động gây ra, xác định sau [26] fSpike = fc × VR × cos π − αVR , cs (2.3) cs vận tốc sóng âm nước, môi trường nước nông vào khoảng 1500 m/s, fc tần số sóng mang Hệ số C để xác định băng thông phổ Doppler BSpike tính sau: BSpike = √ |fSpike | C (2.4) Đề xuất mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm vùng nước nông Như nói trên, thành phần Doppler kênh thủy âm bao gồm phổ dạng Spike phổ dạng Gaussian Hơn thành phần Doppler tạo từ hai trình ngẫu nhiên độc lập khác nhau, dịch chuyển tương đối máy phát/máy thu dịch chuyển sóng bề mặt Do ta đề xuất phổ Doppler tổng quát cho kênh thủy âm kết hợp tuyến tính hai dạng phổ với tham số điều chỉnh A Tham số thể tỷ lệ công suất phổ dạng Gaussian so với phổ dạng Spike Kết mô hình toán học phổ công suất Doppler đề xuất cho kênh thủy âm vùng nước nông sau S(f ) = 1+C f −fSpike fSpike + Ae−( f −fm w ) (2.5) Trong số hạng (2.5) đại diện cho phổ Doppler dạng Spike tạo Rx chuyển động Số hạng thứ hai xác định phổ Doppler dạng Gaussian dịch chuyển bề mặt với tham số điều chỉnh A tỷ lệ 15 -5 Spike Gaussian Overall Normalized Doppler spectrum [dB] Normalized Doppler spectrum [dB] -10 -15 -20 -25 -30 -20 -10 10 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -20 20 Doppler shift frequency [Hz] Spike Gaussian Overall -10 10 20 Doppler shift frequency [Hz] Hình 2.3: Ảnh hưởng thành phần lên phổ Doppler tổng thể dạng phổ Gaussian dạng phổ Spike Ảnh hưởng thành phần phổ Dopper Spike Gaussian mô tả theo công thức Cụ thể, ta xét hai trường hợp với giá trị A = −3 dB A = −15 dB Với trường hợp A = −15 dB, kết đưa Hình 2.3.a, thành phần Spike vượt trội so với Gaussian Kết phổ Doppler tổng thể kênh xấp xỉ phổ Spike Trái lại, với A = −3 dB Hình 2.3.b, thành phần phổ Gaussian đáng kể so với Spike Do đó, phổ tổng thể kênh hai thành phần định Cụ thể, thành phần Gausian gây trải phổ Doppler, Spike định đỉnh phổ kênh 2.2 Đo đạc phổ Doppler Thuyền phát Tx cố định, thuyền thu Rx chuyển động theo kịch khác để đo phổ Doppler kênh thủy âm: Thuyền thu dịch chuyển lại gần, xa xung quanh thuyền phát Tín hiệu thu y (t) xử lý để thu phổ Doppler kênh thủy âm Sau đó, kết đo coi mô hình tham chiếu để tính toán tham số {A, fm , w, C, fSpike } cho mô hình phổ Doppler đề xuất S (f ) 16 2.3 Xác định tham số mô hình đề xuất Để xác định tham số mô hình đề xuất phù hợp với mô hình tham chiếu xây dựng từ liệu đo, phương pháp tính toán tối ưu LPNM [59, 63, 65] áp dụng Hàm giá trị phương pháp LPNM xác định sau  1 p fmax  En =  f  |S˜n (f ) − S (f ) |p df  , (2.6) fmin f = (fmax − fmin ) dải tần quan sát phụ thuộc vào liệu đo, S˜n (f ) mô hình tham chiếu xây dựng từ liệu đo 2.4 Kết đo mô hình hóa phổ Doppler Case Normalized Doppler spectrum [dB] Normalized Doppler spectrum [dB] Các tham số tối ưu {A, fm , w, C, fD,max } mô hình đề xuất phổ Doppler lấy từ liệu đo cách áp dụng thuật toán tối ưu LPNM cho khoảng quan sát tn Các kết cho thấy phù hợp kết đo mô hình phổ Doppler đề xuất cho thấy tính đắn mô hình đề xuất Do đó, sử dụng để mô tả hiệu ứng Doppler kênh thủy âm vùng nước nông Hình 2.9 so sánh phổ Doppler đo mô hình đề xuất cho số trường hợp khảo sát Measured spectrum Reference model Proposed Model −5 −10 −15 −20 −25 −30 −35 −40 −20 −15 −10 −5 10 15 20 Doppler shift [Hz] Case Measured spectrum Reference model Proposed Model −5 −10 −15 −20 −25 −30 −35 −40 −20 −15 −10 −5 10 15 20 Doppler shift [Hz] Hình 2.9: So sánh phổ Doppler đo mô hình phổ Doppler đề xuất cho số trường hợp khảo sát 17 Chương PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN THỦY ÂM OFDM DÙNG MÔ HÌNH KÊNH DỰA TRÊN DỮ LIỆU ĐO 3.1 Nhiễu ICI hệ thống thông tin thủy âm Nhiễu liên kênh ICI hệ thống thông tin thủy âm dùng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM nghiên cứu dùng mô hình kênh dựa liệu đo Bên cạnh đó, nhiễu môi trường nước phân tích Công suất nhiễu ICI, nhiễu môi trường tỷ số SIR SINR tính từ hàm truyền đạt kênh (TVCTF) H [fk , tn ] mô hình mô từ liệu đo Tỷ số SIR (signal-to-interference ratio) sóng mang thứ k tính sau [9] N −1 H [fk , tn ] n=0 SIR [fk ] = 2, (3.1) N −1 N −1 H [fm , tn ] ej2π(m−k)n/N m=0 n=0 m=k Trong N số sóng mang, tn = nTa Ta chu kỳ lấy mẫu, fk = k∆f với ∆f độ rộng sóng mang Hệ thống thông tin thủy âm bị ảnh hưởng mạnh nhiễu ICI nhiễu môi trường xung quanh, đó, tỷ lệ SINR thông số quan trọng đánh giá chất lượng hệ thống Do chất hệ thống băng rộng [88] nên 18 dịch tần Doppler thay đổi sóng mang [9]; tỷ lệ SINR tính cho sóng mang thứ k sau: PR [fk ] N SINR [fk ] = N −1 H [fk , tn ] n=0 PR [fk ] N N −1 N −1 H [fm , tn ] ej2π(m−k)n/N + PN [fk ] m=0 n=0 m=k PR [fk ] N2 = N −1 H [fk , tn ] n=0 , PR [fk ] N2 N −1 N −1 H [fm , tn ] ej2π(m−k)n/N + PN [fk ] m=0 n=0 m=k (3.2) Với PR [fk ] PN [fk ] công suất sóng mang thứ k máy thu ∆f công suất nhiễu dải tần fk − ∆f , fk + 3.2 Tính toán dung lượng kênh Dung lượng kênh thủy âm OFDM tính từ kết phân tích SINR theo hàm truyền đạt kênh mô Không xét đến điều chế mã hóa, dùng công thức Shannon, dung lượng kênh sóng mang thứ k tính sau: Ck = ∆f log2 (1 + SINR [fk ]) , [bits/s] (3.3) nhiễu liên ký tự ISI tránh cách chọn khoảng bảo vệ TG > τmax , với τmax trễ truyền lan lớn lấy từ liệu đo kênh Giả sử sóng mang mang liệu, tổng dung lượng kênh hệ thống thủy âm OFDM tính sau: CSINR TS = ∆f TS + TG N −1 log2 (1 + SINR [fk ]) , [bits/s] (3.4) k=0 với β = TS / (TS + TG ) hiệu phổ, TS TG chiều dài ký tự OFDM chiều dài khoảng bảo vệ 19 3.3 Kết 3.3.1 SIR SINR Các kết SIR SINR cho Hình 3.1 3.2 với SNR = 20 dB máy thu tần số sóng mang trung tâm fc = 12kHz Cần ý SIR SINR sóng mang khác nhau, kết kết trung bình tất sóng mang 40 20 35 15 25 SINR (dB) SIR (dB) 30 20 15 N=64 N=128 N=256 N=512 10 10 N=64 N=128 N=256 N=512 0 10 12 14 Bandwidth (kHz) 10 12 14 Bandwidth (kHz) Hình 3.1, 3.2: SIR SINR trung bình theo băng thông số lượng sóng mang khác 3.3.2 Dung lượng kênh Hình 3.3 tổng dung lượng kênh CSINR với băng thông số lượng sóng mang khác Ta thấy, với băng thông định, dung lượng kênh tăng số lượng sóng mang N tăng Tuy nhiên, cần lưu ý việc tăng số lượng sóng mang dẫn đến suy giảm tỷ số SINR Hình 3.2 Theo mối liên hệ (3.4), cần có cân nhắc dung lượng kênh tỷ số SINR Số lượng sóng mang Do tần số sóng mang fc = 12 kHz nên băng thông tín hiệu B chọn khoảng quanh giá trị 12 kHz Hơn nữa, kết Hình 3.3, với băng thông nhỏ 15 kHz, tăng số lượng sóng mang lên N = 512, dung lượng kênh không tăng so với trường hợp N = 256 Do đó, để đạt 20 70 N=64 N=128 N=256 N=512 Capacity (kbit/s) 60 50 40 30 20 10 0 10 15 Bandwidth (kHz) Hình 3.3: Dung lượng hệ thống thủy âm OFDM với băng thông số sóng mang khác hiệu phổ hợp lý hạn chế ảnh hưởng nhiếu liên kênh ICI, số lượng sóng mang cho hệ thống thủy âm trường hợp nên chọn N = 256 Băng thông tín hiệu Capacity efficiency (bit/s/Hz) 0 10 Bandwidth (kHz) 15 Figure 3.4: Hiệu phổ theo băng thông với số lượng sóng mang N = 256 SNR = 20 dB máy thu Để trả lời câu hỏi băng thông lựa chọn tốt nhằm đạt hiệu phổ tối đa, ta khảo sát dung lượng CSINR /B theo băng thông B với số 21 40 35 Average SINR Average SIR Average SNR 30 (dB) 25 20 15 10 -5 65 70 75 80 85 90 95 100 Transmit power (dB re µPa) 105 110 Hình 3.9: Giá trị trung bình SIR, SINR SNR theo công suất phát với số sóng mang N = 256, băng thông B = 10 kHz sóng mang N = 256 SNR = 20 dB máy thu Như kết Hình 3.4, băng thông tối ưu để đạt dung lượng kênh tối đa (4.5 bps/Hz) nằm khoảng kHz ÷ 10 kHz cho sóng mang fc = 12 kHz 3.3.3 Công suất phát Các kết SN, SIR SINR theo công suất phát cho Hình 3.9 Mức công suất phát hợp lý để đạt giá trị SNR = 25 dB máy thu 95 dB re µP a Nếu công suất phát lớn giá trị này, chất lượng hệ thống thủy âm xét không cải thiện mà gây nhiễu không cần thiết 22 KẾT LUẬN A Các đóng góp Các đóng góp luận án tóm tắt sau Đề xuất phương pháp mô hình kênh thủy âm dựa liệu đo Ưu điểm phương pháp tất phần tham số mô hình kênh lấy trực tiếp từ liệu đo mà không cần áp dụng phương pháp tính toán tối ưu nào; vậy, độ phức tạp tính toán giảm đáng kể Đồng thời, kết mô cho thấy phương pháp đề xuất cho kết kênh mô có đặc tính giống với kênh thủy âm đo đạc thực tế Đề xuất mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm nước nông Mô hình đề xuất xác nhận tính đắn thông qua liệu đo phổ Doppler thực tế kênh thủy âm vùng nước nông Các kết cho thấy mô hình đề xuất phù hợp với liệu đo thực tế Phân tích ảnh hưởng nhiễu liên kênh ICI nhiễu môi trường lên hệ thống thông tin thủy âm dùng mô hình kênh mô dựa liệu đo Dựa kết phân tích, thông số thích hợp cho hệ thống thủy âm số sóng mang con, băng thông tín hiệu công suất phát chọn Các kết gợi ý để thực hệ thống thủy âm thực tế B Hướng nghiên cứu tương lai • Trong luận án đề xuất phương pháp thiết kế mô kênh thủy âm hiệu tính toán Với trường hợp có hiệu ứng Doppler 23 máy thu phát dịch chuyển, cần áp dụng phương pháp tối ưu để tính toán dịch tần Doppler đường truyền Trong nghiên cứu tiếp theo, sử dụng mô hình phổ Doppler đề xuất để tính toán dịch tần Doppler mô hình mô mà không cần áp dụng phương pháp tối ưu • Áp dụng phổ Doppler đề xuất để khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng Doppler đến chất lượng hệ thống thông tin thủy âm Từ đề xuất phương pháp bù Doppler thích hợp • Xây dựng mô hình nhiễu từ liệu đo thực tế sử dụng mô hình để phân tích chất lượng hệ thống thông tin thủy âm • Thực phân tích chất lượng hệ thống thông tin thủy âm MIMOOFDM 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN C1 Ha, D V.; N Van Duc, and M Patzold (2015), SINR analysis of OFDM systems using a geometry-based underwater acoustic channel model, in "IEEE 26th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC)", pp 683-687 C2 D H Do; Q K Nguyen; D V Ha ; N Van Duc (2016), A time synchronization method for OFDM-based underwater acoustic communication systems, in "2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC)", pp 131-134 J1 Ha, D V.; T V Chien; V D Nguyen (2016), Proposals of multipath time-variant channel and additive coloured noise modelling for underwater acoustic OFDM-based systems, International Journal of Wireless and Mobile Computing, vol 11, no 4, 329-338 J2 Ha, D V; V D Nguyen (2016), Methods of designing shallow underwater acoustic channel simulators, Acoustics Australia, vol 44, no 3, pp 439-448 J3 Ha, D V; V D Nguyen; Q K Nguyen (2017), Modeling of Doppler Power Spectrum for Underwater Acoustic Channels, Journal of Communications and Networks, vol 19, no 3, pp 270-281 ... pháp mô hình kênh truyền thủy âm vùng nước nông khảo sát chất lượng HTTT thủy âm, đóng góp luận án sau: Đề xuất phương pháp thiết kế mô kênh thủy âm đơn giản tính toán mô tả đặc tính kênh thủy âm. .. xuất mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm nước nông Mô hình đề xuất xác nhận tính đắn thông qua liệu đo phổ Doppler thực tế kênh thủy âm vùng nước nông Các kết cho thấy mô hình đề xuất phù hợp với... cứu thông tin thủy âm, đặc biệt lĩnh vực mô hình kênh [2, 3, 6] Trong nghiên cứu [1, 4, 5, 7, 8], số đặc tính truyền sóng thủy âm khảo sát chưa đưa mô hình kênh toàn diện Trong [6], tác giả mô kênh