Luận án nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ ofdm

Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM, nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu.

• Tác giả: Đỗ Đình Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quốc Khương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đồng Bộ Và Bù Dịch Tần Doppler Cho Truyền Thông Dưới Nước Với OFDM
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler

Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước với OFDM đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông. Với sự phát triển của công nghệ, việc truyền thông dưới nước đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Kỹ thuật OFDM, với khả năng chống nhiễu và hiệu quả sử dụng phổ cao, là một trong những giải pháp tối ưu cho vấn đề này. Tuy nhiên, việc đồng bộ và bù dịch tần Doppler vẫn là những thách thức lớn cần được giải quyết.

1.1. Đặc điểm của truyền thông dưới nước và OFDM

Truyền thông dưới nước sử dụng sóng âm có nhiều ưu điểm so với sóng điện từ. OFDM là một kỹ thuật điều chế hiệu quả, giúp tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu nhiễu. Tuy nhiên, OFDM cũng nhạy cảm với sai lệch tần số và thời gian, đặc biệt trong môi trường nước.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu bù dịch tần Doppler

Bù dịch tần Doppler là một yếu tố quan trọng trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu thu được. Hiện tượng Doppler có thể gây ra sai lệch tần số lớn, ảnh hưởng đến khả năng truyền thông. Nghiên cứu này nhằm tìm ra các phương pháp hiệu quả để bù dịch tần Doppler.

II. Vấn đề và thách thức trong truyền thông dưới nước

Môi trường dưới nước có nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, bao gồm suy hao, nhiễu và hiệu ứng Doppler. Những yếu tố này làm cho việc truyền thông trở nên khó khăn hơn. Đặc biệt, tốc độ truyền sóng âm chậm hơn nhiều so với sóng điện từ, dẫn đến trễ truyền dẫn và ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.

2.1. Suy hao và nhiễu trong môi trường nước

Suy hao tín hiệu trong môi trường nước diễn ra nhanh chóng, làm giảm chất lượng tín hiệu. Nhiễu từ các nguồn khác nhau cũng gây khó khăn trong việc thu nhận tín hiệu chính xác.

2.2. Ảnh hưởng của dịch tần Doppler

Dịch tần Doppler gây ra sai lệch tần số giữa tín hiệu phát và thu, làm tăng tỷ lệ lỗi ký hiệu. Việc bù dịch tần Doppler là cần thiết để cải thiện chất lượng tín hiệu trong truyền thông dưới nước.

III. Phương pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM trong truyền thông dưới nước

Đồng bộ thời gian là một yếu tố quan trọng trong hệ thống OFDM. Việc sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ giúp tiết kiệm băng thông và nâng cao hiệu quả truyền thông. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp đồng bộ hiện có và đề xuất cải tiến.

3.1. Các phương pháp đồng bộ thời gian hiện tại

Có nhiều phương pháp đồng bộ thời gian như Schmidl, Park, và Minn. Tuy nhiên, những phương pháp này thường không phù hợp với yêu cầu tiết kiệm băng thông trong truyền thông dưới nước.

3.2. Đề xuất phương pháp đồng bộ mới

Phương pháp đồng bộ mới sẽ sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và tiết kiệm băng thông.

IV. Giải pháp bù dịch tần Doppler cho hệ thống OFDM

Bù dịch tần Doppler là một thách thức lớn trong truyền thông dưới nước. Nghiên cứu này sẽ đề xuất các phương pháp bù dịch tần Doppler hiệu quả, bao gồm việc sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin và sóng mang dẫn đường.

4.1. Phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi hình sin

Phương pháp này cho phép tính toán độ dịch tần Doppler trước khi đồng bộ, giúp cải thiện độ chính xác và tiết kiệm băng thông.

4.2. Sử dụng sóng mang dẫn đường CFP trong bù dịch tần

Sóng mang dẫn đường (CFP) sẽ được sử dụng để tính toán và bù dịch tần Doppler, giúp nâng cao chất lượng tín hiệu mà không cần thêm chuỗi ký tự đặc biệt.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã cho thấy những cải tiến đáng kể trong việc bù dịch tần Doppler và đồng bộ thời gian cho hệ thống OFDM. Các kết quả thực nghiệm cho thấy chất lượng tín hiệu thu được đã được cải thiện rõ rệt, giảm tỷ lệ lỗi ký hiệu.

5.1. Kết quả thực nghiệm về đồng bộ thời gian

Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp đồng bộ mới đã cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu thu được, với tỷ lệ lỗi ký hiệu thấp hơn so với các phương pháp truyền thống.

5.2. Kết quả bù dịch tần Doppler

Phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng sóng mang dẫn đường đã cho kết quả khả quan, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của dịch tần Doppler đến chất lượng tín hiệu.

VI. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc đồng bộ và bù dịch tần Doppler là rất quan trọng trong truyền thông dưới nước. Các phương pháp đề xuất không chỉ cải thiện chất lượng tín hiệu mà còn tiết kiệm băng thông. Hướng phát triển tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của các phương pháp đồng bộ và bù dịch tần Doppler trong truyền thông dưới nước.

6.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng ứng dụng của các phương pháp này trong các lĩnh vực khác như viễn thông và quân sự.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu đề tài Trong một vài năm trở lại đây, thông tin dƣới nƣớc đang đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực nhƣ: thám hiểm đại dƣơng, quan trắc địa hình dƣới biển, vận hành và truyền thông tin giữa các tầu ngầm và đặc biệt có vai trò quan trọng trông lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng. Cụ thể, Việt Nam có hàng nghìn km bờ biển với vùng hải phận biển Đông vô cùng rộng lớn. Do vậy, thông tin dƣới nƣớc đang trở thành một trong những lĩnh vực đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay [9,10].

Trong môi trƣờng dƣới nƣớc, do đặc tính môi trƣờng bị hấp thụ và suy hao với tốc độ nhanh [12,13,14] nên tín hiệu sử dụng sóng điện từ sẽ bị giới hạn về tốc độ cũng nhƣ khoảng cách truyền dẫn. So với tín hiệu sóng điện từ, tín hiệu sóng âm có những ƣu điểm vƣợt trội vì âm thanh ít bị suy hao trong môi trƣờng nƣớc. Vì vậy, việc sử dụng sóng âm để truyền thông tin dƣới nƣớc là một phƣơng pháp ƣu tiên hàng đầu kết hợp với các công nghệ tiên tiến sẽ đạt hiệu quả cao [15,16]. Tuy nhiên trong môi trƣờng dƣới nƣớc, sóng âm bị ảnh hƣởng của sự biến đổi nhiệt độ, các loại nhiễu và truyền dẫn đa đƣờng do sự phản xạ và tán xạ [12-16], tốc độ truyền dẫn của sóng âm dƣới nƣớc cũng rất hạn chế (khoảng 1.5km/s) nhỏ hơn rất nhiều so với sóng điện từ là 300.000km/s nên gây ra trễ truyền dẫn và ảnh hƣởng của dịch tần Doppler đến tín hiệu thu cũng lớn hơn khi so sánh với việc truyền sóng vô tuyến [9,10,11].

Những đặc tính đó đã làm cho kênh truyền dƣới nƣớc khác hẳn so với kênh truyền sử dụng sóng điện từ. Có nhiều kỹ thuật truyền thông đƣợc sử dụng để truyền thông tin dƣới nƣớc nhƣ ASK, FSK, M_PAM, M_QAM, OFDM, SC-FDMA [1,7]. Trong số các kỹ thuật này thì kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) có ƣu điểm là hiệu quả sử dụng phổ cao nên phù hợp với băng thông hạn hẹp của kênh truyền dƣới nƣớc, ngoài ra OFDM có khả năng chống giao thoa đa đƣờng tốt. Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên cứu vào việc sử dụng kỹ thuật OFDM cho truyền thông dƣới nƣớc.

Tuy nhiên, đặc điểm của tín hiệu OFDM là rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và sai lệch tần số. Do vậy việc xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu OFDM và sai lệch tần số bên phát trong môi trƣờng nhiễu cao nhƣ ở dƣới nƣớc là một trong những vấn đề 1 công nghệ quan trọng cần giải quyết. Thêm vào đó, khi có dịch chuyển tƣơng đối giữa bên phát và bên thu sẽ gây ra hiệu ứng Doppler, làm sai lệch giữa tần số thu và phát gây ra nhiễu liên sóng mang ICI ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng tín hiệu thu [24-28]. Có thể thấy rằng hệ thống thông tin dƣới nƣớc chịu nhiều ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng, suy hao do khoảng cách, nhiễu, di chuyển… nên chất lƣợng của tín hiệu thu đƣợc thƣờng rất thấp do tỷ lệ SNR nhỏ nên tỷ lệ lỗi SER thƣờng khá cao [15-17].

Việc nghiên cứu ra các biện pháp để nâng cao chất lƣợng tín hiệu là rất cần thiết. Vì vậy, trong chƣơng 4 của luận án sẽ đƣa ra các đề xuất tận dụng ngay các yếu tố bất lợi của việc truyền thông nhƣ sự chuyển động tƣơng đối giữa phát và thu hay chuyển động của sóng gió mặt nƣớc để tạo lập hệ thống truyền thông tận dụng tính phân tập không gian- thời gian của tín hiệu thu đƣợc tƣơng đƣơng với hệ thống nhiều anten thu- phát (MIMO) để cải thiện chất lƣợng tín hiệu giúp giảm tỷ lệ lỗi ký tự SER khi giải mã. Để giải quyết những vấn đề nêu ở trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu ba vấn đề chính sau: - Thứ nhất là nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trƣờng dƣới nƣớc. - Thứ hai là nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và đƣa ra các đề xuất mới để bù dịch tần Doppler cho hệ thống thông tin dƣới nƣớc sử dụng kỹ thuật OFDM.

- Thứ ba là tìm ra các phƣơng pháp để cải thiện chất lƣợng tín hiệu thủy âm qua việc ứng dụng đặc tính phân tập không gian-thời gian để hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu – phát mà có khả năng nhƣ một hệ thống gồm nhiều anten (MIMO). Những vấn đề còn tồn tại Vấn đề : 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. Những phƣơng pháp này đƣợc đề cập trong [20,21] không phù hợp với tiêu chí truyền tin của thông tin dƣới nƣớc do hệ thống cần phải tiết kiệm băng thông. Ngoài ra do đặc điểm của sóng âm [14] khác với sóng vô tuyến nên việc áp dụng các phƣơng pháp trên cho truyền tín hiệu dƣới nƣớc sẽ đạt hiệu quả không cao.

2 Vấn đề 2: Việc truyền tin dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và thu cũng gây ra lƣợng dịch tần Doppler lớn ảnh hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu OFDM. Có nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dƣới nƣớc sử dụng công nghệ OFDM nhƣ ở trong [18,25]. Đặc điểm chung của các phƣơng pháp đó là việc tính toán độ dịch tần số Doppler thƣờng đƣợc thực hiện sau khi đồng bộ. Thực tế, trong trƣờng hợp độ dịch tần Doppler lớn kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín hiệu phát nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệu để tính độ dịch tần Doppler thƣờng không chính xác.

Vấn đề 3: Các phƣơng pháp bù dịch tần Doppler hiện nay [25, 26, 27] vẫn phải sử dụng các chuỗi ký tự để thêm vào đầu các khung nên sẽ không cho hiệu quả tốt về tiết kiệm băng thông nhƣ các phƣơng pháp [26, 27] đều phải sử dụng 2 bƣớc để bù dịch tần Doppler đó là: đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Ở bƣớc đồng bộ thô, tần số Doppler sẽ đƣợc tính toán gần đúng và làm tròn thành số nguyên. Ở bƣớc đồng bộ tinh, các phƣơng pháp đó sẽ sử dụng thuật toán để tính toán chính xác tần số Doppler và sử dụng ma trận ICI để khử nhiễu liên kênh trƣớc khi giải mã tín hiệu bên thu. Việc sử dụng 2 bƣớc tính toán nhƣ vậy sẽ phức tạp và không thích ứng đƣợc khi tần số Doppler biến đổi nhanh.

Vấn đề 4: Do đặc điểm kênh truyền dƣới nƣớc chịu tác động của nhiều yếu tố nhƣ nhiễu, dịch tần Doppler, nên tín hiệu giải thu đƣợc thƣờng bị sai và có chất lƣợng rất thấp, có tỷ lệ lỗi tín hiệu SER cao [15-17]. Thông thƣờng trong các hệ thống vô tuyến thì để nâng cao chất lƣợng tín hiệu thu, ngƣời ta sẽ sử dụng nhiều anten thu nhằm tận dụng tính phân tập không gian của tín hiệu [86,87]. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều anten thu phát (MIMO) sẽ khiến thiết bị trở nên cồng kềnh rất khó di chuyển đặc biệt trong môi trƣờng dƣới nƣớc. Do vậy, việc tìm ra một giải pháp sử dụng hệ thống một thu - một phát (SISO) nhƣng lại có có thể ứng dụng đƣợc các đặc tính của hệ thống MIMO đó là tận dụng đƣợc tính phân tập không gian-thời gian của tín hiệu để giải quyết các vấn đề trên là mục tiêu của luận án.

Mục tiêu của luận án Nghiên cứu thuật toán để đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trƣờng truyền tin dƣới nƣớc với tiêu chí: Chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ cho khung dữ liệu nên cho hiệu quả sử dụng băng thông tốt. 3 Cho hiệu quả đồng bộ và chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc tốt hơn các phƣơng pháp phổ biến. Nghiên cứu phƣơng pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với các ƣu điểm so với các phƣơng pháp hiện có: Việc tính độ dịch tần Doppler đƣợc thực hiện trƣớc khi đồng bộ nên không cần phải xác định chính xác điểm bắt đầu của mỗi khung tín hiệu. Độ dài chuỗi sin ngắn nên tiết kiệm đƣợc băng thông đồng thời xử lý dễ dàng hơn.

Xác định đƣợc gần chính xác tần số Doppler ngay từ bƣớc đồng bộ thô nên ở bƣớc đồng bộ tinh chỉ cần sử dụng thuật toán xoay pha đơn giản. Đề xuất một phƣơng pháp bù dịch tần Doppler hoàn toàn mới, sử dụng một tần số sóng mang tín hiệu dẫn đƣờng (Carrier Frequency Pilot-CFP) để tính toán và bù dịch tần Doppler với các tiêu chí: Không sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt để gắn thêm vào nên tiết kiệm băng thông so với các phƣơng pháp khác. Sử dụng 2 bƣớc đồng bộ thô và đồng bộ tinh để tính toán và xác định độ dịch tần Doppler. Nghiên cứu cải tiến và đƣa ra phƣơng pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler với các tiêu chí: Không sử dụng chuỗi ký tự gắn thêm vào (preamble) mà chỉ sử dụng CFP nên tiết kiệm đƣợc băng thông so với cá phƣơng pháp khác.

Ở phần giải mã chỉ sử dụng một bƣớc duy nhất để tính độ dịch tần Doppler nên sẽ cho thời gian tính toán nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh của hệ thống. Đề xuất mô hình hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn ứng dụng đƣợc đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO với các tiêu chí sau: Hệ thống đơn giản, nhỏ gọn dễ di chuyển trong môi trƣờng nƣớc. Cải thiện chất lƣợng tín hiệu sau khi giải mã. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu mô hình truyền thông tin dƣới nƣớc sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM.

Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng khoảng bảo vệ GI. Thuật toán bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi hình sin và thuật toán xoay pha tín hiệu. 4 Thuật toán bù dịch tần sử dụng sóng mang dẫn đƣờng CFP (Carrier Frequency Pilot) và ứng dụng kỹ thuật giải mã trực tiếp (Direct Decoder) kết hợp CFP cho hệ thống OFDM truyền thông dƣới nƣớc. Đƣa ra giải pháp hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn tận dụng đƣợc đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO để cải thiện chất lƣợng tín hiệu.

Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và làm thực nghiệm, từ các kết quả thực nghiệm đƣa ra các đề xuất mới phù hợp thực tế.