Luận Án Tiến Sĩ Về Mô Hình Kênh Truyền Thông Tin Thủy Âm Trong Vùng Nước Nông

Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô hình đặc tính kênh truyền thông tin thủy âm vùng nước nông, ứng dụng trong giao tiếp dưới nước hiệu quả.

• Tác giả: Do Viet Ha
• Người hướng dẫn: Pts. Van Duc Nguyen
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Telecommunications Engineering
• Đề tài: Mô Hình Đặc Tính Kênh Truyền Cho Thông Tin Thủy Âm Vùng Nước Nông
• Loại tài liệu: doctoral thesis
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• DECLARATION OF AUTHORSHIP
• ACKNOWLEDGEMENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• ABBREVIATIONS
• 1. CHƯƠNG 1: OVERVIEW OF THE DISSERTATION
• 1.1. Characteristics of Shallow Underwater Acoustic Channels
• 1.1.1. Acoustic Frequency
• 1.1.2. Transmission Loss
• 1.1.3. Noise
• 1.1.4. Propagation Delay
• 1.1.5. Multipath
• 1.1.6. Doppler Effect
• 1.2. UWA Channel Modeling Approaches and the State-of-the-Art
• 2. CHƯƠNG 2: DESIGN OF SHALLOW UWA CHANNEL SIMULATORS
• 2.1. Overview of Simulation Models for UWA Channels
• 2.1.1. Rayleigh and Rice channels
• 2.1.2. Deterministic SOS Channel Models
• 2.1.3. Deterministic SOC Channel Models
• 2.2. The Geometry-based UWA Channel Simulator
• 2.2.1. Developing the Reference Model from the Geometrical Channel Model
• 2.2.2. The Simulation Model
• 2.2.3. The Estimated Parameters of the Simulation Model
• 2.3. The Measurement-based UWA Channel Simulator
• 2.3.1. The Reference Model from the Measurement Data
• 2.3.2. The Simulation Model
• 2.3.3. Estimated Channel Parameters of the Simulation Model
• 2.4. Comparison of the Two Channel Simulators
• 2.5. The Proposed Approach for the Static UWA Channel
• 2.5.1. Results and Discussions
• 2.6. The Proposed Approach for the Case of Doppler Effects
• 2.6.1. The Measurement Data
• 2.6.2. The Conventional Measurement-based Simulators
• 2.6.3. The Proposed Channel Simulator
• 3. CHƯƠNG 3: MODELING OF DOPPLER POWER SPECTRUM FOR SHALLOW UWA CHANNELS
• 3.1. The Proposed Doppler Spectrum Model
• 3.1.1. The Doppler Effects in Shallow UWA Channels
• 3.1.2. The Proposed Doppler Model for UWA Channels
• 3.2. The Description of Doppler Spectrum Measurements
• 3.3. Reference Model from the Measurement Data
• 3.4. Parameter Optimizations of the Proposed Model
• 3.5. Measurement and Doppler Modeling Results
• 4. CHƯƠNG 4: UWA-OFDM SYSTEM PERFORMANCE ANALYSIS USING THE MEASUREMENT-BASED UWA CHANNEL MODEL
• 4.1. ICI Analysis of UWA-OFDM Systems
• 4.2. Ambient Noise Power
• LIST OF PUBLICATIONS

Tóm tắt

I. Mô Hình Kênh Truyền Thông Tin Thủy Âm

Mô hình kênh truyền thông tin thủy âm là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật viễn thông, đặc biệt là trong môi trường nước nông. Kênh truyền thông thủy âm có những đặc điểm riêng biệt như độ suy giảm tín hiệu cao, hiện tượng đa đường và hiệu ứng Doppler. Những yếu tố này tạo ra những thách thức lớn cho việc truyền tải thông tin. Việc xây dựng mô hình kênh chính xác giúp dự đoán hiệu suất của hệ thống truyền thông trước khi triển khai thực tế. Mô hình này không chỉ phản ánh các đặc tính vật lý của môi trường mà còn giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống truyền thông. Theo nghiên cứu, các mô hình kênh có thể được phân loại thành hai loại chính: mô hình dựa trên hình học và mô hình dựa trên đo đạc. Mỗi loại mô hình có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn mô hình phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu trong truyền thông thủy âm.

1.1. Đặc điểm của Kênh Thủy Âm

Kênh thủy âm có những đặc điểm vật lý khác biệt so với các kênh truyền thông khác. Đầu tiên, âm thanh dưới nước truyền đi với tốc độ khoảng 1500 m/s, điều này ảnh hưởng đến độ trễ truyền tải. Thứ hai, sự suy giảm tín hiệu phụ thuộc vào tần số, với ba yếu tố chính là suy giảm do lan tỏa, hấp thụ và tán xạ. Đặc biệt, trong môi trường nước nông, hiện tượng đa đường do phản xạ từ bề mặt và đáy nước tạo ra những thách thức lớn cho việc nhận diện tín hiệu. Cuối cùng, hiệu ứng Doppler, do chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, làm thay đổi tần số tín hiệu, tạo ra sự phức tạp trong việc phân tích và mô hình hóa kênh. Những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế và phát triển hệ thống truyền thông thủy âm.

II. Phân Tích và Đánh Giá Mô Hình Kênh

Phân tích mô hình kênh truyền thông thủy âm là một bước quan trọng để hiểu rõ hơn về hiệu suất của hệ thống. Việc sử dụng các mô hình như mô hình kênh thủy âm dựa trên hình học và đo đạc giúp xác định các thông số quan trọng như độ suy giảm tín hiệu, độ nhiễu và khả năng chịu đựng của hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy rằng mô hình dựa trên đo đạc thường phản ánh chính xác hơn các điều kiện thực tế so với mô hình hình học. Tuy nhiên, mô hình hình học lại có ưu điểm về tính đơn giản và khả năng tính toán nhanh. Sự kết hợp giữa hai loại mô hình này có thể mang lại những kết quả tốt nhất cho việc tối ưu hóa hiệu suất truyền thông. Việc đánh giá mô hình kênh cũng cần xem xét các yếu tố như điều kiện môi trường, tần số hoạt động và cấu hình hệ thống để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong thực tế.

2.1. Ứng Dụng Thực Tiễn của Mô Hình Kênh

Mô hình kênh truyền thông thủy âm có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như giám sát môi trường, thăm dò dầu khí và các nhiệm vụ quân sự. Việc hiểu rõ các đặc điểm của kênh truyền thông thủy âm giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế các hệ thống truyền thông hiệu quả hơn. Chẳng hạn, trong giám sát môi trường, các hệ thống truyền thông thủy âm có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu về chất lượng nước, nhiệt độ và các yếu tố khác. Trong thăm dò dầu khí, việc truyền tải thông tin chính xác và nhanh chóng là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Do đó, việc phát triển và cải tiến các mô hình kênh là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các ứng dụng này.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Hệ thống thông tin thủy âm (Underwater Acoustic - UWA) đóng vai trò then chốt trong các ứng dụng quan trắc môi trường biển, thăm dò khai thác dầu khí ngoài khơi và các hoạt động quân sự. Tuy nhiên, môi trường truyền sóng âm dưới nước, đặc biệt là vùng nước nông, đối mặt với nhiều hạn chế kỹ thuật: băng thông khả dụng của phổ tần số âm thanh bị giới hạn (dải tần từ 10 Hz đến 1 MHz), độ suy hao đường truyền phụ thuộc phi tuyến vào tần số tín hiệu, tốc độ lan truyền sóng âm trong nước rất thấp (xấp xỉ 1500 m/s), cùng hiện tượng trải trễ đa đường kéo dài và dịch chuyển Doppler phức tạp do chuyển động của môi trường và phương tiện.

Mô hình hóa kênh truyền là bước khởi đầu để tái hiện các đặc tính lan truyền thực tế (suy hao, fading đa đường, hiệu ứng Doppler), từ đó dự đoán và đánh giá hiệu năng hệ thống trước khi triển khai thiết kế phần cứng tốn kém. Dù nhiều mô hình đã được đề xuất trên thế giới, sự biến động lớn theo vị trí địa lý, chu kỳ mùa và điều kiện thời tiết khiến chưa có một mô hình chuẩn áp dụng cho mọi môi trường nước nông. Tại Việt Nam, nhu cầu ứng dụng thông tin thủy âm ngày càng tăng nhưng các công trình mô hình hóa kênh truyền dựa trên đo đạc thực nghiệm còn hạn chế.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông của nghiên cứu sinh Đỗ Việt Hà (mã số chuyên ngành: 62520208), thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Văn Đức và TS. Phạm Văn Tiến (bảo vệ năm 2017), hướng đến hai mục tiêu cốt lõi:

1. Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa kênh truyền thủy âm vùng nước nông và xây dựng các bộ mô phỏng kênh truyền dựa trên dữ liệu đo đạc thực tế.
2. Phân tích hiệu năng hệ thống thông tin ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) dưới tác động đồng thời của nhiễu liên kênh (ICI) và tạp âm môi trường biển.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là đặc tính lan truyền sóng thủy âm vùng nước nông, mô hình đáp ứng xung kênh truyền (CIR), phổ trễ công suất (PDP), hàm tương quan thời gian - tần số (T-FCF), mật độ phổ công suất Doppler (DPSD), và hiệu năng truyền dẫn của hệ thống UWA-OFDM. Phạm vi thực nghiệm của luận án tập trung vào vùng biển nước nông tại Vịnh Hạ Long, Việt Nam, với cự ly truyền dẫn thử nghiệm 150 m và các kịch bản đo đạc phổ Doppler với máy thu cố định hoặc chuyển động.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án phân loại các phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm thành hai nhóm chính:

• Nhóm mô hình dựa trên hình học (Geometry-based): Sử dụng lý thuyết tia kết hợp hình học truyền sóng. Công cụ Bellhop được mở rộng kết hợp các điều kiện môi trường như nhiệt độ và độ mặn, tốc độ gió, dạng bề mặt sóng. Các công trình kết hợp lý thuyết tia với phương pháp thống kê phân tích hàm mật độ xác suất (PDF) của góc tới (AOA) và góc đi (AOD), với giả định góc AOA phân bố chuẩn, phân bố đều, hoặc phân bố Rice nửa vòng tròn. Mô hình dựa trên hình học có độ phức tạp tính toán thấp, dễ mở rộng tham số nhưng độ khớp với kênh đo đạc thực tế chưa cao do môi trường nước nông biến đổi mạnh theo thời gian và không gian.
• Nhóm mô hình dựa trên đo đạc thực nghiệm (Measurement-based): Xây dựng trực tiếp từ dữ liệu đo đạc tại hiện trường. Các nghiên cứu trước xác định phân bố biên độ đường truyền theo các dạng Rayleigh, Rician, phân bố K, hoặc Log-normal; một số mô phỏng dạng phát lại (replay-based) tái hiện trực tiếp đáp ứng xung kênh truyền biến đổi theo thời gian (TVCIR). Nhóm này phản ánh kênh truyền thực tế nhưng đòi hỏi thuật toán tối ưu hóa phức tạp để ước lượng số lượng lớn tham số kênh (độ lợi đường, độ trễ, tần số Doppler, độ dịch pha) thông qua các giải thuật như ESPRIT, SAGE, INLSA, LPNM.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây bước đầu khảo sát một số đặc tính truyền sóng thủy âm hoặc mô phỏng đường truyền tia bằng cách giải phương trình Eikonal với điều kiện môi trường giả định, dẫn đến mô hình tia bất biến theo thời gian chưa phản ánh được tính động của môi trường biển. Về mô hình hóa phổ Doppler, các nghiên cứu quốc tế thường giả định phổ Doppler theo dạng cổ điển (Jakes), dạng đều hoặc dạng hai tia mà chưa xây dựng biểu thức tường minh kết hợp giữa chuyển động bề mặt biển và chuyển động của máy thu/máy phát.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết bao gồm:

• Đề xuất giải pháp xây dựng bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm nước nông vừa đảm bảo độ chính xác theo dữ liệu đo đạc thực địa, vừa tinh giản tính toán bằng cách trích xuất trực tiếp tham số mà không cần thuật toán tối ưu hóa phi tuyến phức tạp.
• Xây dựng mô hình giải tích dạng tường minh (closed-form) cho phổ công suất Doppler trong môi trường nước nông, bao gồm đồng thời thành phần Doppler dạng xung nhọn (Spike-shape) do chuyển động tương đối Tx/Rx và thành phần dạng Gauss (Gaussian-shape) do dao động sóng mặt biển.
• Phân tích chính xác can nhiễu ICI kết hợp với mô hình tạp âm môi trường phụ thuộc tần số (suy giảm ~18 dB/decade) tác động lên hệ thống UWA-OFDM, làm cơ sở lựa chọn bộ tham số truyền dẫn tối ưu.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

• Đặc tính vật lý kênh truyền thủy âm:
  • Vận tốc âm thanh trong nước nông coi như hằng số $c_s \approx 1500$ m/s, dẫn đến độ trễ lan truyền $\tau = d/c_s$.
  • Suy hao truyền dẫn tổng hợp $A(l, f) = \alpha(f)^{l - l_r} (l / l_r)^k$, trong đó $k \in [1, 2]$ là hệ số mở rộng hình học, $\alpha(f)$ là hệ số hấp thụ tính theo công thức thực nghiệm phụ thuộc tần số $f$, độ mặn $S_a$ và áp suất thủy tĩnh $P = 1 + 0.1h$ ($h$ là độ sâu nước).
  • Tạp âm môi trường biển gồm nhiễu nền (Gaussian không trắng, mật độ phổ công suất suy giảm khoảng 18 dB/decade) và nhiễu đặc thù vị trí (chứa thành phần phi Gaussian).
  • Độ dịch Doppler cực đại $f_{D,\max} = (v / c_s) f_c$, với tỉ số dịch Doppler tương đối $a = v / c_s$ có giá trị đáng kể so với truyền thông vô tuyến trên không.
• Mô hình fading thống kê:
  • Mô hình tổng các sóng hình sin (Sum-of-Sinusoids - SOS): Giả định hai thành phần đồng pha và vuông pha (I/Q) không tương quan, chỉ mô tả được kênh có mật độ phổ công suất Doppler đối xứng (tán xạ đẳng hướng).
  • Mô hình tổng các sóng hàm mũ phức (Sum-of-Cisoids - SOC / SOCUS): Các thành phần I/Q dùng chung tập tham số, cho phép mô phỏng kênh có phổ Doppler bất đối xứng trong điều kiện tán xạ dị hướng, phù hợp với cơ chế truyền sóng thực tế.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ phân tích

• Phương pháp định lượng và mô phỏng số: Thiết lập mô hình giải tích, tính toán hàm tương quan thời gian - tần số (T-FCF), phổ trễ công suất (PDP), tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), tỷ số tín hiệu trên can nhiễu (SIR), tỷ số tín hiệu trên can nhiễu cộng tạp âm (SINR) và dung thông kênh dẫn (capacity).
• Phương pháp thực nghiệm đo đạc hiện trường:
  • Hệ thống đo đạc âm học được triển khai trên tàu tại Vịnh Hạ Long ngày 09/06/2015.
  • Phía phát gồm máy tính điều khiển, bộ khuếch đại công suất và đầu phát sóng âm (transducer). Tín hiệu dò kênh là chuỗi giả ngẫu nhiên (PN sequence) bậc 10 với đa thức sinh $G(x) = x^{10} + x^7 + 1$, điều chế BPSK.
  • Phía thu gồm đầu thu thủy âm (hydrophone), bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) và máy tính xử lý.
  • Tín hiệu thu được giải điều chế BPSK và đưa qua bộ tương quan với chuỗi PN gốc để trích xuất đáp ứng xung kênh truyền $\hat{h}(\tau_l, t_m)$ qua 96 lần đo liên tục ở khoảng cách 150 m.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm vùng nước nông (Design of Shallow UWA Channel Simulators)

Chương 1 tập trung phân tích, so sánh hai hướng tiếp cận xây dựng bộ mô phỏng kênh truyền và đề xuất phương pháp mô phỏng mới:

• Bộ mô phỏng dựa trên hình học: Xây dựng mô hình hình học 2-D với các điểm tán xạ phân bố ngẫu nhiên trên mặt nước ($i=1$) và đáy biển ($i=2$). TVCIR gồm 3 thành phần: thành phần tầm nhìn thẳng LOS ($h_0$) và các thành phần tán xạ từ mặt ($h_1$), đáy ($h_2$). Hàm T-FCF của mô hình tham chiếu được thiết lập qua tích phân liên tục theo hàm mật độ xác suất góc tới $p_\alpha(\alpha)$. Mô hình mô phỏng SOC sử dụng phương pháp chia đều điểm tán xạ (MESS) để xác định vị trí tối ưu $x_{i,n}^{opt} = (D/N_i)(n - 1/2)$. Bộ tham số thử nghiệm được tổng hợp trong bảng:

Tham số hình học	Giá trị
Hệ số Rice ($c_R$)	0
Độ sâu máy phát / máy thu ($y_{1T} = y_{2T} = y_{1R} = y_{2R}$)	90 m
Số đường tán xạ mặt nước ($N_1$)	80
Số đường tán xạ đáy biển ($N_2$)	79
Tần số sóng mang ($f_c$)	12 kHz
Tần số Doppler cực đại ($f_{\max}$)	0 Hz
Khoảng cách truyền dẫn ($D$)	500 m

• Bộ mô phỏng dựa trên đo đạc: Sử dụng dữ liệu đo đạc tại Vịnh Hạ Long (cự ly 150 m) để tính phổ trễ công suất $\hat{\rho}(\tau_l) = \frac{1}{M}\sum_{m=1}^M |\hat{h}(\tau_l, t_m)|^2$. Áp dụng mô hình SOCUS và sử dụng phương pháp chuẩn $L_p$ (LPNM) với hàm mục tiêu tối thiểu sai số giữa T-FCF đo đạc và T-FCF mô phỏng. Kết quả cho thấy mô hình bám sát kênh thực tế nhưng tốn chi phí tính toán tối ưu hóa.
• Phương pháp đề xuất cho kênh tĩnh và kênh động:
  • Với kênh tĩnh (Tx và Rx cố định): Trích xuất trực tiếp số đường truyền $L$ và độ trễ $\tau_l$ từ PDP đo đạc; độ lợi đường được tính trực quan bằng căn bậc hai của PDP: $c_{n,l} = \sqrt{\hat{\rho}(\tau_l)}$. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn bước tối ưu hóa LPNM mà vẫn đảm bảo hàm tương quan tần số (FCF) trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm.
  • Với trường hợp máy thu chuyển động: Kết hợp độ trễ từ PDP và phân tích thành phần Doppler trên từng tia, xây dựng lưu đồ thuật toán mô phỏng kênh động với độ chính xác hàm tương quan thời gian - tần số T-FCF vượt trội so với mô hình thông thường.

       [Dữ liệu đo đạc CIR ĥ(τ, t) tại thực địa]
            [Tính phổ trễ công suất PDP ρ̂(τ)]
 [Trích xuất độ trễ τ_l]           [Tính độ lợi c_{n,l} = √ρ̂(τ_l)]
             [Thiết lập mô hình kênh SOCUS]
     [Hàm tương quan FCF / T-FCF mô phỏng hoàn chỉnh]

Chương 2: Mô hình hóa phổ công suất Doppler cho kênh truyền thủy âm vùng nước nông (Modeling of Doppler Power Spectrum for Shallow UWA Channels)

Chương 2 giải quyết bài toán mô hình hóa phổ công suất Doppler trong môi trường nước nông:

• Phân tích cơ chế Doppler: Hiện tượng tán xạ sóng âm trong nước nông chịu tác động đồng thời từ: (1) Chuyển động của bề mặt biển do gió và sóng gây ra độ dịch pha và trải phổ ngẫu nhiên; (2) Chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu gây ra độ dịch tần số Doppler chủ đạo.
• Mô hình phổ Doppler đề xuất: Luận án đề xuất biểu thức giải tích kết hợp giữa thành phần dạng xung nhọn (Spike-shape) đại diện cho vận tốc di chuyển của đầu thu/phát và thành phần dạng Gauss (Gaussian-shape) đại diện cho dao động mặt sóng: $$S(f) = S_{Spike}(f) + S_{Gauss}(f)$$
• Kiểm chứng thực nghiệm tại Vịnh Hạ Long: Tiến hành đo đạc và thu thập dữ liệu trong 3 kịch bản di chuyển khác nhau của máy thu:
  • Kịch bản 1 (Scenario 1): Máy thu trôi dạt tự do theo sóng biển.
  • Kịch bản 2 (Scenario 2): Tàu kéo máy thu di chuyển theo các hướng ổn định.
  • Kịch bản 3 (Scenario 3): Máy thu di chuyển theo quỹ đạo phức tạp với vận tốc thay đổi.
• Kết quả khớp đường cong (curve fitting) giữa mô hình giải tích đề xuất và phổ Doppler trích xuất từ thực nghiệm ($\tilde{S}_n(f)$) cho thấy mô hình tái hiện chính xác hình dạng phổ, xác định rõ đỉnh Doppler chính do dịch chuyển cơ học và độ mở rộng phổ do sóng biển.

Chương 3: Phân tích hiệu năng hệ thống UWA-OFDM sử dụng mô hình kênh truyền thủy âm dựa trên đo đạc (UWA-OFDM System Performance Analysis Using the Measurement-Based UWA Channel Model)

Chương 3 áp dụng mô hình kênh truyền trích xuất từ thực nghiệm để đánh giá toàn diện hệ thống thông tin UWA-OFDM:

• Phân tích can nhiễu liên kênh (ICI) và tạp âm môi trường: Khác với các nghiên cứu giả định nhiễu trắng và phổ Doppler đơn giản, luận án tính toán chính xác công suất ICI sinh ra do sự mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ trong điều kiện Doppler băng rộng, đồng thời tích hợp mô hình tạp âm môi trường có mật độ phổ công suất suy giảm 18 dB/decade.
• Đánh giá hiệu năng và khảo sát tham số:
  • Đánh giá các chỉ số SIR, SINR, dung thông kênh truyền (capacity) và hiệu quả phổ (spectral efficiency) theo băng thông tín hiệu ($B$), số lượng sóng mang phụ ($N$) và công suất phát ($P_T$).
  • Khảo sát trường hợp điển hình với $N = 256$ sóng mang phụ, băng thông $B = 10$ kHz, mức SNR máy thu đạt 20 dB.
  • Kết quả phân tích hàm phân bố tích lũy (CDF) của SNR, SIR, SINR chỉ ra sự đánh đổi rõ rệt: việc tăng số lượng sóng mang phụ $N$ giúp giảm can nhiễu liên ký tự (ISI) do trải trễ lớn nhưng lại làm khoảng cách sóng mang phụ hẹp lại, khiến can nhiễu ICI do hiệu ứng Doppler tăng lên; ngược lại, mở rộng băng thông làm tăng công suất tạp âm thu nhận.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp khoa học và thực tiễn chính như sau:

1. Phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm nước nông hiệu quả: Đề xuất quy trình thiết kế bộ mô phỏng kênh dựa trên cấu trúc SOCUS với các tham số độ trễ và độ lợi đường trích xuất trực tiếp từ phổ trễ công suất (PDP) đo đạc thực tế. Phương pháp này loại bỏ các thuật toán tối ưu hóa phi tuyến phức tạp (như LPNM, INLSA), giảm khối lượng tính toán mà vẫn đảm bảo đặc tính thống kê (hàm FCF, T-FCF) tiệm cận với kênh truyền thực nghiệm tại Vịnh Hạ Long.
2. Biểu thức giải tích mô hình phổ công suất Doppler: Xây dựng mô hình phổ Doppler dạng tường minh kết hợp giữa phân bố Spike-shape (do chuyển động tương đối Tx/Rx) và Gaussian-shape (do chuyển động sóng mặt nước). Mô hình được xác thực thông qua dữ liệu đo đạc thực tế trong 3 kịch bản chuyển động khác nhau tại vùng biển Việt Nam.
3. Bộ hướng dẫn tối ưu hóa tham số truyền dẫn hệ thống UWA-OFDM: Thiết lập phương pháp tính toán chính xác công suất can nhiễu ICI kết hợp tạp âm môi trường biển phụ thuộc tần số trên mô hình kênh thực nghiệm. Cung cấp cơ sở định lượng để lựa chọn tối ưu công suất phát $P_T$, băng thông tín hiệu $B$ và số lượng sóng mang phụ $N$ nhằm đạt dung thông và SINR yêu cầu.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Mô hình kênh truyền dựa trên đo đạc được thiết lập đặc thù cho vùng nước nông tại địa điểm thử nghiệm (Vịnh Hạ Long) ở cự ly xác định (150 m), chưa phản ánh toàn diện các vùng biển nước sâu hoặc điều kiện thủy văn khác biệt.
  • Luận án không đi sâu phân tích ảnh hưởng chi tiết của từng thông số hình học và môi trường riêng lẻ (như độ sâu nước, độ mặn, biểu đồ nhiệt độ theo độ sâu) lên đáp ứng xung kênh đo được, do dữ liệu đo đạc thực địa đã tích hợp tổng hòa các yếu tố này.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Mở rộng thu thập dữ liệu đo đạc kênh truyền tại nhiều vùng biển, cự ly và mùa khác nhau để làm phong phú cơ sở dữ liệu tham số.
  • Nghiên cứu kết hợp giữa mô hình tán xạ hình học và dữ liệu đo đạc thực tế nhằm xây dựng bộ mô phỏng bán thực nghiệm có khả năng thích ứng linh hoạt với nhiều kịch bản địa lý.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Xử lý tín hiệu và Kỹ thuật Thủy âm: Cung cấp cơ sở lý thuyết toán học về quá trình ngẫu nhiên, mô hình SOC/SOS, phương pháp mô phỏng kênh truyền và kỹ thuật đo đạc kênh âm học thực địa.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống modem thủy âm: Tham khảo phương pháp tính toán can nhiễu ICI, mô hình tạp âm môi trường và bảng tham số thực nghiệm để tối ưu hóa cấu hình hệ thống điều chế đa sóng mang OFDM dưới nước.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mô hình Sum-of-Cisoids (SOC) lại phù hợp hơn Sum-of-Sinusoids (SOS) trong mô phỏng kênh thủy âm nước nông?

Mô hình SOS giả định hai thành phần đồng pha và vuông pha (I/Q) độc lập và không tương quan, do đó chỉ áp dụng được cho kênh có mật độ phổ công suất Doppler đối xứng (điều kiện tán xạ đẳng hướng). Trong khi đó, kênh thủy âm nước nông mang tính tán xạ dị hướng rõ rệt với phổ Doppler bất đối xứng; mô hình SOC sử dụng chung tập tham số cho các thành phần I/Q nên mô tả chính xác cả phổ Doppler đối xứng lẫn bất đối xứng, phản ánh sát thực tế lan truyền sóng âm.

2. Dữ liệu thực nghiệm của luận án được thu thập ở đâu và sử dụng tín hiệu dò kênh như thế nào?

Dữ liệu thực nghiệm được đo đạc tại vùng nước nông Vịnh Hạ Long, Việt Nam vào ngày 09/06/2015 ở khoảng cách truyền dẫn 150 m. Tín hiệu dò kênh là chuỗi mã giả ngẫu nhiên (PN sequence) với đa thức sinh $G(x) = x^{10} + x^7 + 1$, được điều chế BPSK, khuếch đại công suất và phát qua đầu phát transducer.

3. Ưu điểm chính của phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh tĩnh do tác giả đề xuất là gì?

Phương pháp đề xuất sử dụng cấu trúc mô hình SOCUS nhưng trích xuất trực tiếp độ trễ $\tau_l$ từ phổ trễ công suất (PDP) đo đạc và gán độ lợi đường truyền $c_{n,l} = \sqrt{\hat{\rho}(\tau_l)}$. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ hoàn toàn các thuật toán xấp xỉ tối ưu hóa phi tuyến phức tạp (như LPNM), giảm thiểu khối lượng tính toán mà vẫn đảm bảo hàm tương quan tần số (FCF) khớp chính xác với kênh đo đạc thực tế.

4. Mô hình phổ công suất Doppler đề xuất trong luận án gồm những thành phần nào?

Mô hình phổ Doppler đề xuất có dạng giải tích kết hợp hai thành phần:

• Thành phần dạng xung nhọn (Spike-shape): Đại diện cho độ dịch tần số Doppler sinh ra từ chuyển động cơ học tương đối giữa máy phát và máy thu.
• Thành phần dạng Gauss (Gaussian-shape): Đại diện cho sự mở rộng phổ Doppler sinh ra do chuyển động ngẫu nhiên của sóng mặt biển.

5. Trong phân tích hệ thống UWA-OFDM, đặc điểm của tạp âm môi trường biển được mô hình hóa như thế nào?

Tạp âm môi trường biển được xác định là tạp âm màu (Gaussian nhưng không trắng), có mật độ phổ công suất suy giảm theo tần số với tốc độ xấp xỉ 18 dB/decade, xuất phát từ các nguồn nhiễu loạn sóng, gió, tàu bè và mưa.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đỗ Việt Hà đã giải quyết trọn vẹn bài toán mô hình hóa kênh truyền thủy âm vùng nước nông và phân tích hiệu năng hệ thống UWA-OFDM dựa trên cơ sở đo đạc thực nghiệm tại Vịnh Hạ Long. Tác giả đã đề xuất phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh SOCUS đơn giản hóa về tính toán, xây dựng biểu thức giải tích kết hợp cho phổ công suất Doppler (Spike + Gauss), đồng thời đánh giá định lượng tác động của can nhiễu ICI và tạp âm môi trường lên hệ thống OFDM. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và tham số kỹ thuật giá trị cho việc phát triển các thiết bị truyền thông thủy âm hiện đại tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY DO VIET HA MÔ HÌNH ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CHO THÔNG TIN THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG CHANNEL MODELING FOR SHALLOW UNDERWATER ACOUSTIC COMMUNICATIONS DOCTORAL THESIS OF TELECOMMUNICATIONS ENGINEERING HA NOI - 2017 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY DO VIET HA MÔ HÌNH ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CHO THÔNG TIN THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG CHANNEL MODELING FOR SHALLOW UNDERWATER ACOUSTIC COMMUNICATIONS Specialization: Telecommunications Engineering Code No: 62520208 DOCTORAL THESIS OF TELECOMMUNICATIONS ENGINEERING SUPERVISORS: 1. Van Duc Nguyen 2. Van Tien Pham Hanoi - 2017 DECLARATION OF AUTHORSHIP I hereby declare that this dissertation titled, "Channel Modeling for Shal- low Underwater Acoustic Communications”, and the work presented in it are entirely my own original work under the guidance of my supervi- sors. I confirm that: • This work was done wholly or mainly while in candidature for a PhD research degree at Hanoi University of Science and Technology.

• Where any part of this dissertation has previously been submitted for a degree of any other qualification at Hanoi University of Science and Technology or any other institution, this has been clearly stated. • Where I have consult the published work or others, this is always given. With the exception of such quotations, this dissertation is entirely my own work. • I have acknowledged all main source of help.

• Where the thesis is based on work done by myself jointly with oth- ers, I have made exactly what was done by others and what I have contributed myself. Hanoi, August 27, 2017 SUPERVISORS PhD STUDENT 1. Van Duc Nguyen 2. Van Tien Pham Do Viet Ha ACKNOWLEDGEMENTS First and foremost, I would like to thank my advisor Associate Prof.

Nguyen Van Duc for for providing an excellent atmosphere for doing research, for his valuable comments, constant support and motivation. His guidance helped me in all the time of research and writing of this dissertation. I could not have imagined having a better advisor and mentor for my PhD. I would also like to thank Dr.

Pham Van Tien for their advice and feedback, also for many educational and inspiring discussions. My sincere gratitude goes to the members in the Wireless Communica- tion Lab, School of Electronics and Telecommunications, Hanoi Univer- sity of Science and Technology, Hanoi, Vietnam. Without their support and friendship it would have been difficult to complete my PhD studies. I am also thankful to Dr.

Nguyen Tien Hoa for his invaluable instruc- tions in presenting my dissertation. I would also like to express my deepest gratitude to my parents, my husband, my son, and my daughter. They were always supporting me and encouraging me with their best wishes, they were standing by me throughout my life. Hanoi, August 27, 2017 PhD STUDENT Do Viet Ha Contents TABLE OF CONTENTS.

iv LIST OF FIGURES. vi LIST OF TABLES. DESIGN OF SHALLOW UWA CHANNEL SIMU- LATORS. Overview of Simulation Models for UWA Channels.

Rayleigh and Rice channels. Deterministic SOS Channel Models. Deterministic SOC Channel Models. The Geometry-based UWA Channel Simulator.

Developing the Reference Model from the Geometrical Channel Model. The Simulation Model. The Estimated Parameters of the Simulation Model. The Measurement-based UWA Channel Simulator.

The Reference Model from the Measurement Data. The Simulation Model. Estimated Channel Parameters of the Simulation Model 33 1. Comparison of the Two Channel Simulators.

The Proposed Approach for the Static UWA Channel. Results and Discussions. The Proposed Approach for the Case of Doppler Effects. The Measurement Data.

The Conventional Measurement-based Simulators. The Proposed Channel Simulator. MODELING OF DOPPLER POWER SPECTRUM FOR SHALLOW UWA CHANNELS. The Proposed Doppler Spectrum Model.

The Doppler Effects in Shallow UWA Channels. The Proposed Doppler Model for UWA Channels. The Description of Doppler Spectrum Measurements. Reference Model from the Measurement Data.

Parameter Optimizations of the Proposed Model. Measurement and Doppler Modeling Results. UWA-OFDM SYSTEM PERFORMANCE ANAL- YSIS USING THE MEASUREMENT-BASED UWA CHAN- NEL MODEL. ICI Analysis of UWA-OFDM Systems.

Ambient Noise Power .