Mô Hình Kênh Truyền Thông Thủy Âm Nông: Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật Viễn Thông

Kênh truyền thông dưới nước có đặc điểm vật lý khác biệt so với kênh truyền thông trên mặt đất. Ba yếu tố chính ảnh hưởng đến truyền thông dưới nước là suy hao truyền dẫn cao theo tần số, lan truyền đa đường biến đổi theo thời gian và tốc độ truyền âm thanh chậm (khoảng 1500m/s). Sự biến đổi nhanh chóng của kênh UWA là do chuyển động tương đối, sóng ngầm và sóng trên mặt nước. Những đặc điểm này khiến UWA trở thành môi trường truyền thông khó khăn nhất hiện nay. Kênh thủy âm học nông thường có độ sâu dưới 200m, chiếm 7.5% tổng diện tích đại dương. Do phản xạ mạnh từ bề mặt và đáy biển, kênh UWA nông thường có đặc tính đa đường phức tạp.

Tần số của truyền thông thủy âm nằm trong khoảng từ 10 Hz đến 1 MHz. Độ trễ lan truyền đa đường lớn dẫn đến băng thông kết hợp ngắn. Kênh UWA được coi là kênh băng rộng vì băng thông tín hiệu truyền lớn hơn băng thông kết hợp. Suy hao truyền dẫn phụ thuộc đáng kể vào tần số sóng mang. Ba yếu tố làm suy giảm tín hiệu UWA bao gồm suy hao lan truyền, suy hao hấp thụ và suy hao tán xạ. Suy hao tổng thể A (l, f) được định nghĩa là A (l, f ) = α(f ) r (l/lr)^k, trong đó f là tần số sóng mang và l là khoảng cách truyền.

Các yếu tố môi trường như độ sâu, nhiệt độ, độ mặn và điều kiện bề mặt ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính kênh thủy âm học nông. Sự thay đổi của các yếu tố này theo thời gian và không gian làm cho việc mô hình hóa kênh trở nên phức tạp. Ví dụ, sóng và gió trên mặt nước có thể gây ra sự tán xạ và biến đổi Doppler, làm suy giảm chất lượng tín hiệu.

Nhiễu trong kênh thủy âm bao gồm nhiễu nền và nhiễu đặc thù của địa điểm. Nhiễu nền thường được mô hình hóa là Gaussian và không phải là nhiễu trắng, trong khi nhiễu đặc thù chứa các thành phần không Gaussian đáng kể. Sự suy giảm tăng theo tần số, trong khi nhiễu giảm theo tần số, dẫn đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) thay đổi trên băng thông tín hiệu. Mất mát truyền dẫn trong kênh thủy âm nông bao gồm cả hấp thụ và tán xạ âm thanh, làm giảm đáng kể cường độ tín hiệu theo khoảng cách.

Mô hình hình học sử dụng các tham số hình học của môi trường (ví dụ: độ sâu, khoảng cách nguồn-thu) và các thuộc tính của bề mặt và đáy biển để mô phỏng sự lan truyền sóng âm. Cách tiếp cận này cho phép ước tính các đặc tính kênh như trễ lan truyền, biên độ và góc đến của các đường đa đường. Mô hình này thích hợp khi có thông tin chi tiết về môi trường.

Mô hình dựa trên đo đạc sử dụng dữ liệu đo đạc thực tế để ước lượng các đặc tính kênh. Cách tiếp cận này có thể nắm bắt các hiệu ứng phức tạp không được mô hình hóa trong các phương pháp hình học. Quá trình này thường bao gồm việc thu thập dữ liệu xung phản hồi kênh (CIR) và sau đó trích xuất các thông số thống kê như độ trễ lan truyền, công suất đa đường và phân bố Doppler.

Hiệu ứng Doppler là kết quả của chuyển động tương đối giữa nguồn và máy thu, hoặc do sự thay đổi của môi trường truyền dẫn. Doppler spread kênh truyền thông thủy âm nông thể hiện sự lan rộng phổ của tín hiệu nhận được, phụ thuộc vào chiều cao sóng, tốc độ gió và phản xạ từ bề mặt và đáy biển. Sự dịch chuyển Doppler đáng kể là một đặc điểm riêng biệt của kênh UWA so với kênh vô tuyến.

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu đo đạc thực tế để xây dựng mô hình phổ Doppler phù hợp cho kênh UWA nông. Các phương pháp tối ưu hóa tham số được áp dụng để khớp mô hình với dữ liệu đo. Kết quả cho thấy mô hình đề xuất có thể mô tả chính xác đặc tính Doppler của kênh UWA nông trong các điều kiện khác nhau. Các kịch bản đo đạc khác nhau được sử dụng, bao gồm cả trường hợp máy thu di chuyển.

Bài viết này phân tích tác động của nhiễu giữa các sóng mang (ICI) trong hệ thống UWA-OFDM, do hiệu ứng Doppler và sự biến đổi kênh gây ra. ICI có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống OFDM. Các phương pháp giảm thiểu ICI, như điều chỉnh Doppler và mã hóa kênh, được thảo luận.

Nghiên cứu đánh giá dung lượng và hiệu quả phổ của hệ thống UWA-OFDM trong kênh thủy âm nông. Các kết quả cho thấy dung lượng và hiệu quả phổ phụ thuộc vào băng thông tín hiệu, số lượng sóng mang con và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Các tham số hệ thống được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất tốt nhất.

Các mô hình thống kê có thể được sử dụng để mô tả các đặc tính ngẫu nhiên của kênh UWA, chẳng hạn như phân bố xác suất của độ trễ lan truyền và biên độ. Mô hình thống kê kênh truyền thông thủy âm nông này có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất của các hệ thống truyền thông và thiết kế các chiến lược thích ứng.

Các kỹ thuật học máy, chẳng hạn như mạng thần kinh, có thể được sử dụng để xây dựng mô hình kênh UWA dựa trên dữ liệu đo. Các mô hình này có thể thích ứng với sự thay đổi của môi trường và dự đoán chính xác các đặc tính kênh. Thuật toán ước lượng kênh truyền thông thủy âm nông cũng sẽ đóng vai trò quan trọng.