Xem mẫu
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Nâng cao tốc độ truyền tin trong một kênh nước biển
nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam
dùng điều chế OFDM
Trần Cao Quyền
Khoa Điện tử-Viễn Thông,
Trường Đại Học Công Nghệ (ĐHQGHN)
Email: quyentc@vnu.edu.vn
Abstract— Bài báo này giới thiệu về truyền tin quy mô nhỏ trong bằng phần mềm là chính. Chính vì tất cả các ưu điểm trên dẫn
một kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam, với đến xem xét sử dụng điều chế OFDM cho kênh thủy âm. Các
độ sâu dưới 50 m, cự ly 1km. Độ phân tán thời gian (độ trải trễ) nghiên cứu theo hướng này trên thế giới có thể kể đến như [5-
tối đa trong kênh giả thiết là 10 ms, độ phân tán tần số tối đa 8].
(dịch tần Doppler cực đại) là 9Hz ứng với vận tốc cơ bản vài m/s
của các thiết bị chuyển động dưới nước (không phải tàu ngầm).
Các tính toán giải tích và mô phỏng sử dụng điều chế ghép theo Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần
tần số trực giao (OFDM) với tần số sóng mang 9KHz được đưa II, chúng tôi miêu tả thềm lục địa vịnh Bắc Bộ. Phần III, mô
ra. Các kết quả đã chứng minh tính hiệu quả của sử dụng điều hình kênh nước biển nông được giới thiệu. Thiết kế hệ thống
chế OFDM trong loại hình kênh này, tốc độ truyền tin có thể đạt cho ở Phần IV. Phần V là các kết quả mô phỏng. Cuối cùng là
được tới 13Kbps kết luận bài báo.
Keywords- Kênh nước biển nông, OFDM, độ trải trễ, dịch tần II. THỀM LỤC ĐỊA VỊNH BẮC BỘ
Doppler, SONAR(định vị và đo xa dùng sóng âm).
Theo [1] thì thềm lục địa vịnh Bắc Bộ bao gồm toàn bộ đáy
vịnh Bắc Bộ kéo xuống tới vĩ độ 16o00’ Bắc ngang Đà Nẵng.
I. GIỚI THIỆU Thềm lục địa ở đây dạng một lòng chảo chạy ép sát về phía
Như chúng ta đã biết Việt Nam là một quốc gia biển, biển đảo Hải Nam và có sườn máng dốc hơn về phía Việt Nam. Độ
của ta là một phần của biển Đông. Theo Công ước Luật Biển sâu trung tâm vịnh đạt tới 70-80 m, vùng cửa vịnh khoảng
năm 1982 [1], vùng đặc quyền kinh tế mở rộng tới khoảng cách 100m và ở rìa thềm lục địa khoảng 200 m.
tối đa 200 hải lý (1 hải lý = 1.852 m) tính từ đường cơ sở. Hầu hết diện tích thềm lục địa có góc dốc 2’-5’. Mức độ
Nước CHXHCN Việt Nam có chủ quyền hoàn toàn về thăm chia cắt sâu nhỏ. Chiếm ưu thế ở đây là các dạng địa hình âm
dò, khai thác, bảo vệ và quản lý tất cả các tài nguyên thiên dạng máng trũng đan nhau kiểu phân nhánh. Chúng có hướng
nhiên, sinh vật và không sinh vật ở vùng nước, ở đáy biển và dốc về phía vịnh Bắc Bộ và là dấu vết của thung lũng cổ. Nơi
trong lòng đất dước đáy biển của vùng đặc quyền về kinh tế gặp nhau của các máng này là các hố trũng, đôi khi sâu đến
của Việt Nam. Hiện nay sự quan tâm nghiên cứu về biển và 108 m như đã phát hiện ở phía ngoài khơi đảo Cồn Cỏ 120 km
đảo đang có tính thời sự, có ý nghĩa kinh tế, xã hội và an ninh về phía Đông Bắc. Các dạng địa hình dương thường là các
quốc phòng. Trong đó nghiên cứu về truyền tin dưới nước mỏm đá ngầm, các vết lộ của các cồn đá cổ còn sót lại, chúng
đóng một vai trò quan trọng. phân bố ven bờ và quanh các đảo như Bạch Long Vĩ.,
Đặc điểm của truyền tin dưới nước cho một loại kênh phức Trong bài báo này chúng tôi chỉ mới khảo sát địa hình vịnh
tạp, chịu phân tán cả về tần số và thời gian nặng [2]. Các Bắc Bộ, tuy nhiên nước ta còn có 03 vùng biển khác là Trung
nghiên cứu gần đây về sử dụng điều chế khóa dời tần số (FSK) Bộ, Đông Nam Bộ và Tây Nam.
ở Mỹ đã có một số kết quả nhất định, đặc biệt về giảm giá
thành thiết bị [3]. Tuy nhiên vẫn còn bị hạn chế về mặt tốc độ
truyền tin, chỉ đạt 5400 bauds. Mặt khác kỹ thuật điều chế III. MÔ HÌNH KÊNH NƯỚC BIỂN NÔNG
OFDM cho phép truyền song song các sóng con nên tốc độ
A. Mô hình kênh nước biển nông
truyền tin có thể tăng lên tuyến tính theo số sóng con sử dụng.
Việc kéo dài độ rộng ký hiệu phát giảm ảnh hưởng của kênh Ta biết rằng vận tốc sóng âm trong nước biển thay đổi theo
quy mô nhỏ từ Fading lựa chọn tần số thành Fading phẳng. độ sâu, phụ thuộc vào nhiệt độ, khí quyển, áp suất và độ mặn
Dùng tiền tố vòng (CP) làm cho hệ thống có khả năng kháng của nước biển. Tại các kênh nước sâu khi có các lớp đảo nhiệt
Fading cao hơn, thay vì mất toàn bộ thông tin thì chỉ có một số độ thì vận tốc âm cũng biến đổi tạo nên các hiện tượng khúc
bit bị ảnh hưởng [4]. Các bộ biến đổi biến đổi Fourier nhanh xạ dương (tia sóng bị bẻ cong lên trên) hay khúc xạ âm (tia
thuận/ ngược (FFT, IFFT) cho phép thực thi hệ thống OFDM sóng bị bẻ cong xuống dưới).
318
ISBN: 978-604-67-0635-9 318
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Tuy nhiên trong kênh nước biển nông thì tốc độ âm có thể trong [2] mô tả đáp ứng xung kênh thủy âm với các tham số
coi là hằng số. Chính vì vậy hiện tượng chính chi phối các f 5,10,15 KHz và dải thông 5KHz . Đáp ứng xung này
kênh nước nông là phản xạ âm tại bề mặt, đáy biển và vật thể. có 5 tap ứng với kết quả đo của 5 đường đầu tiên, đường trực
tiếp có công suất lớn nhất, đường thứ hai suy giảm một nửa so
với đường thứ nhất, các đường sau đóng góp ít hơn nữa vào
kết quả (Hình 2). Trong bài báo này chúng tôi sử dụng các kết
quả này là nguồn tham khảo cơ bản khi chưa có điều kiện tiến
hành các phép đo trên thực địa.
1.5
Kenh thuy am voi f=5,10,15KHz, bang thong 5KHz
Dap ung xung cua kenh
1
Hình 1. Mô hình đa đường trong kênh nước nông
Chúng tôi tiếp tục khảo sát kênh thủy âm với cự ly 1 km giống
như ở [9] và cũng để tiện cho tiến hành các thực nghiệm sau
này. 0.5
Đồng thời khi quan sát kênh thủy âm trên quy mô nhỏ, ta
cần quan tâm đến 03 yếu tố quan trọng: băng thông, trải trễ đa
đường tối đa và dịch tần Doppler cực đại.
A1. Băng thông 0
0 1 2 3 4 5 6 7
Do sử dụng sóng âm là phương tiện mang nên dải tần sẽ Do tre(don vi=10ms)
rất hẹp, thông thường khoảng 5KHz. Trước đây Mỹ dùng các
thiết bị SONAR dải siêu âm, tuy nhiên xu thế hiện nay họ Hình 2. Đáp ứng xung của kênh thủy âm với f=5,10,15 KHz, băng
chuyển sang dung các thiết bị âm tần với dải tần 0-20KHz thông 5KHz (tài liệu [2]).
[10]. A3. Dịch tần Doppler
A2. Trải trễ đa đường Do có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu
Ở phía thu ngoài đường trực tiếp còn nhận các đường phản trong kênh thủy âm nên xảy ra hiện tượng dịch tần Doppler.
xạ từ hai biên (mặt và đáy biển) tạo ra hiện tượng đa đường. Chính vì thế ta luôn phải tính toán đến các dạng méo gây ra do
Chặt chẽ mà nói thì có vô số đường, nhưng chúng chịu phản loại chuyển động này trong các thiết kế, đặc biệt trong các
xạ nhiều lần và mất hết năng lượng nên bị bỏ qua, chỉ còn lại thuật toán đồng bộ. Biên độ của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với hệ
một số hữu hạn các đường chính. v
Giả thiết cự ly truyền giữa Tx (phát) và Rx (thu) là lp. Đường số a , trong đó v là vận tốc tương đối giữa Tx và Rx, c là
c
lp vận tốc sóng âm.
khỏe nhất truyền trực tiếp qua đoạn lp mất thời gian t0 ,
c Để có thể so sánh ta xét một hệ thống vô tuyến di động tốc
7
với c là vận tốc âm. Các đường phản xạ đến Rx sẽ trễ một giá độ cao, v=160 km/h thì ta có a 1.5 10 [2], dịch tần
l Doopler tương ứng là a. f c (với fc là tần số sóng mang). Giá
trị thời gian i i t0 so với đường tham chiếu trực tiếp. Độ
c trị này nhỏ cho phép ta bỏ qua các ảnh hưởng lên đồng bộ ký
phân tán thời gian tối đa (độ trải trễ tối đa) xét ở đây là 10 ms, hiệu. Tuy nhiên xét kênh thủy âm, thì vận tốc sóng âm cơ bản
là một giá trị thường được quan sát trong kênh thủy âm [2]. chỉ 1500 m/s nên nếu một thiết bị chuyển động dưới nước
Vì mục tiêu của bài báo là nghiên cứu truyền tin quy mô (không phải tàu ngầm) với vận tốc vài m/s thì hệ số a 10 .
3
nhỏ nên đối tượng quan sát là đáp ứng xung của kênh thủy âm. Trong trường hợp sử dụng sóng siêu âm thì ta không thể bỏ
Nếu gọi hi là độ lợi của đường thứ i thì đáp ứng xung đơn qua các giá trị dịch tần Doppler này.
giản của kênh thủy âm có thể biểu diễn là Tóm lại kênh nước biển nông có các đặc điểm như ở Bảng I
sau
h(t ) hi (t i ) (1)
Trên thực tế hi của một kênh thủy âm là một hàm của tần số.
Theo thông lệ thì chúng ta có thể mô tả kênh này như một
bộ lọc có đáp xung hữu hạn (FIR) (số tap hữu hạn), trong
đó đặc tính chọn lọc theo tần số thể hiện độ méo dạng của tín
hiệu do ảnh hưởng của kênh truyền. Trong Hình 3,4 và 5
319
319
- HộiHội
Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Bảng I. Tham số kênh nước biển nông Việc chọn khoảng phân cách sóng con 17,6 Hz để trong điều
Tham số Giá trị kiện xấu nhất hệ thống chịu ảnh hưởng dịch tần Doppler
Băng thông (B) 5KHz chiếm khoảng 50% phân cách sóng con. Chọn tham số như vậy
Trải trễ tối đa ( m ) 10 ms cũng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các kỹ thuật
bù khử dịch tần Doppler cần thiết.
Dịch tần Doppler cực 10-3x9000Hz=9Hz
Từ các tham số hệ thống OFDM ở Bảng II ta có thể tính
đại( f m a. f c) được tốc độ lý thuyết của hệ thống OFDM là
Đáp ứng xung (f=5,10,15KHz) như Hình 2 hieu suat su dung phoQPSK so song con
R
chu ky ky hieu
B. Đáp ứng xung kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ
Việt Nam 2 384
13497 bps
Trên cơ sở các phân tích ở trên chúng tôi đề xuất mô 56,9 103
hình kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ Việt Nam có đáp Theo kết quả [3] hệ thống dùng điều chế FSK 2 mức thì đạt
ứng xung với biên độ tuân theo phân bố Rayleigh như sau: tốc độ lý thuyết là
h a jb (2) Rbit hieu suat su dung pho BFSK Rbaud
1 5400 5400 bps
trong đó a , b N (0, ) , phân bố Gauss với trung bình
So sánh hai kết quả này thì rõ ràng dùng điều chế OFDM đạt
không và là phương sai của tạp âm nền môi trường biển tốc độ tốt hơn. Đồng thời vì [3] dùng điều chế FSK với hai tần
vịnh Bắc Bộ. số sóng mang f=1200 Hz, 2200 Hz nên chu kỳ ký hiệu là 0,83
Giá trị tạp âm nền phụ thuộc vào nhiều yếu tố như trạng thái ms và 0,45 ms nhỏ hơn đáng kể so với độ trải trễ tối đa 10 ms,
của biển, tốc độ gió và mật độ lưu thông các phương tiện tàu do đó hệ thống sẽ chịu ảnh hưởng Fading rất lớn từ kênh thủy
thủy. Theo tài liệu [9], nếu trạng thái biển ổn định, tốc độ gió âm, trong nhiều trường hợp sẽ mất hoàn toàn thông tin.
trung bình, mật độ lưu thông tàu thủy vừa phải 90dB
2
Tuy nhiên xét thêm hiện tượng đa đường với độ trải V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
trễ tối đa 10 ms và chuẩn hóa giá trị độ lợi 2 tap đầu tiên thì Phần này trình bày mô phỏng với các kịch bản sau đây:
đáp ứng xung kênh thủy âm như sau KỊCH BẢN 1
h(t ) 0.6* h(t ) 0.4* h(t m ) (3) 1. Mô hình kênh nước biển nông ở vịnh Bắc Bộ Việt Nam
Hệ số phản xạ tại mặt biển là -1 (chỉ quay pha), tia âm phản như mô tả ở phần III. Ở đây sử dụng công thức (2) cho
xạ tại thềm lục địa giả thiết mỗi lần mất mát đi 3dB. mô phỏng. Đồng thời coi độ trễ giữa các tap đều nhau.
2. Mô hình máy phát và thu dùng điều chế OFDM với các
IV. THIẾT KẾ HỆ THỐNG tham số chỉ ra ở Bảng II.
Trước tiên chúng tôi thiết kế một hệ thống OFDM với các 3. Tiến hành mô phỏng Monte Carlo dùng
tham số như Bảng II sau đây
Bảng II. Các tham số của hệ thống OFDM
384 2 1500 1152000 bit , bằng máy tính , để
Tham số Giá trị kiểm tra chất lượng hệ thống.
Tần số lấy mẫu 9 KHz KỊCH BẢN 2
Số điểm lấy FFT, IFFT 512 1. Mô hình kênh nước biển nông ở vịnh Bắc Bộ Việt
Khoảng bảo vệ 128
Điều chế sóng con QPSK như mô tả ở phần III. Tuy nhiên xét thêm hiện tượng
Chu kỳ ký hiệu không có CP 56,9 ms đa đường với độ trải trễ tối đa 10 ms và chuẩn hóa
Chu kỳ ký hiệu có CP 71,1 ms giá trị độ lợi 2 tap đầu tiên, đáp ứng xung kênh thủy
Số sóng con 384 âm như công thức (3). Mô phỏng cho kịch bản 2 sử
Khoảng phân cách sóng con 17,6 Hz
dụng công thức này.
Nhìn trên Bảng II ta thấy tần số sóng mang là 9KHz, cơ sở 2. Các điều kiện khác như kịch bản 1.
để lựa chọn này là theo xu thế các thiết bị SONAR của Mỹ [10]
và cũng để phù hợp tần số, giảm giá thành của các đầu dò Sau khi tiến hành mô phỏng chúng tôi có được các kết
(transducer), một bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị quả của Kịch bản 1 như ở Hình 3 và Kịch bản 2 như ở Hình
thủy âm. 4 sau đây.
Khoảng bảo vệ, CP chiếm 25% độ dài của chu kỳ ký hiệu,
để chống lại Fading đa đường.
Việc chọn chu kỳ ký hiệu 56,9 ms lớn hơn nhiều so với độ
trải trễ tối đa là 10 ms (chú ý là theo [2] thì độ trải trễ tối đa là
50 ms vì tác giả xét tới 5 tap), đảm bảo giảm ảnh hưởng của
Fading của kênh lên chất lượng tín hiệu.
320
320
- HộiHội
Thảo Quốc
Thảo QuốcGia
Gia2015
2015về
về Điện Tử, Truyền
Điện Tử, ThôngvàvàCông
Truyền Thông CôngNghệ
Nghệ Thông
Thông Tin Tin (ECIT
(ECIT 2015)
2015)
với đường trực tiếp (đây là kịch bản xấu nhất xảy ra trong hệ
thống truyền tin). Tại mức BER=10-3 kênh này sẽ phải bù
khoảng 14 dB so với kênh AWGN khi mà chỉ có ảnh hưởng
0
BER trong kenh Thuy am Rayleigh Fading của tạp âm nền của biển.
10
Duong ly thuyet kenh AWGN
Như vậy chúng tôi đã tiến hành mô phỏng hoàn chỉnh một
Mo phong kenh Rayleigh Fading hệ QPSK OFDM trong kênh thủy âm đề xuất đặc trưng cho
10
-1 kênh nước biển nông của vịnh Bắc Bộ, có thể nói rằng đây là
loại kênh phức tạp hơn kênh vô tuyến thông thường và đây là
những kết quả bước đầu trong nỗ lực nhằm nâng cao tốc độ
BER cua he QPSK OFDM
10
-2
truyền tin dưới biển.
10
-3
VI. KẾT LUẬN
Bài báo đã tiến hành quan sát lý thuyết một kênh nước biển
10
-4 nông thuộc địa hình vịnh Bắc Bộ Việt Nam. Một mô hình
kênh thủy âm cụ thể đã được đề xuất. Một hệ truyền tin vô
tuyến QPSK OFDM sử dụng sóng âm tần số 9KHz được thiết
10
-5
kế và mô phỏng hoàn chỉnh để truyền tin qua mô hình kênh đề
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Eb/No, dB xuất. Các ảnh hưởng của phân tán thời gian và tần số đã được
Hình 3. Tỷ lệ lỗi bit hệ QPSK OFDM cho kênh AWGN
xem xét. Trên quan điểm thiết kế mà nói thì thiết kế này đã
(đường màu xanh nước biển, có chấm vuông), tỷ lệ lỗi bit cho thành công khi đạt được tốc độ truyền tin hơn gần 2,5 lần so
kênh thủy âm Rayleigh Fading (đường màu hồng, có chấm chéo). với kết quả dùng FSK trong [3].
0
BER kenh Thuy am Fading Rayleigh co Da duong(2 tap, do loi chuan hoa)
10
Duong ly thuyet kenh AWGN TÀI LIỆU THAM KHẢO
Mo phong kenh Rayleigh Fading
-1
[1] Nguyễn Văn Phòng (2007), Bách Khoa về Biển, NXB từ điển bách khoa
10
[2] M. Stojanovic (2008), “Underwater acoustic communications: design
considerations on the physical layer”, IEEE Fifth annual conference on
BER cua he QPSK OFDM
wireless on demand network systems and services, pp. 1-10.
-2
10
[3] A. Dairo và cộng sự (2013), “Low cost frequency shift keying acoustic
modem for underwater wireless sensors networks”, Proceeding of the
Spring 2013 Mid-Atlantic Section Conference of the American Society
10
-3
of Engineering Education, pp.36-46.
[4] R.V. Nee và R. Prasad (2000), OFDM for wireless multimedia
communications, Artech House Boston, London.
-4
10 [5] M. Stojanovic (2008), “OFDM for underwater acoustic
communications: adaptive synchronization and sparse channel
estimation”, IEEE International conference on acoustic, speech and
10
-5 signal processing, pp. 5288-5291.
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
[6] Baosheng Li và cộng sự (2009), “ MIMO-OFDM for high rate
Eb/No, dB
underwater acoustic communications”, IEEE Journal on Oceanic
Hình 4. Tỷ lệ lỗi bit hệ QPSK OFDM cho kênh AWGN Engineering, Vol.34, pp.634-644.
(đường màu xanh nước biển, có chấm vuông), tỷ lệ lỗi bit cho [7] M. Stojanovic (2006), “ Low complexity OFDM detector for underwater
kênh thủy âm Rayleigh Fading với 2 tap, độ lợi chuẩn hóa (đường acoustic channels”, pp.1-6, IEEE Conference Oceans, DOI:
màu hồng có chấm chéo). 10.1109/OCEANS.2006.307057.
[8] A. Radosevic và cộng sự (2013), “Adaptive OFDM modulation for
underwater acoustic communications: Design considerations and
Từ Hình 3 ta thấy rằng kênh thủy âm khảo sát là rất phức Experimental results”, IEEE Journal of Oceanic Engineering, pp. 357-
tạp, khi kể đến hiện tượng đa đường chất lượng tín hiệu thu bị 370. ISSN: 0360-9059.
hạn chế đáng kể. Với mức BER=10-3 trong kênh AWGN và [9] Trần Bá Tấn và Trần Cao Quyền (2015), “Design an power amplifier
kênh thủy âm Rayleigh Fading cần mật độ năng lượng bit trên for a digital underwater modem using FSK modulation”, Journal of
tạp âm, Eb/No tương ứng là 6 dB và 18 dB. Như vậy với mức Science and Technology-Hanoi University of Industry, pp.15-18.
BER=10-3 thì kênh thủy âm này sụt giảm 12 dB so với kênh ISSN 1859-3585.
AWGN. Sở dĩ có hiện tượng này là do sự phân tán thời gian [10] Bạch Nhật Hồng (2006), Đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng một số cảm
xảy ra lớn trong kênh thủy âm. Tuy nhiên có thể tin rằng thông biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số
tin chỉ có thể bị phá hủy một phần mà không bị mất hoàn toàn vật bay trên không và thiết bị truyền tin dưới nước phục vụ kinh tế- xã
hội, an ninh quốc phòng”, Quyển III, Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết
do đã sử dụng việc kéo dài độ rộng chu kỳ ký hiệu phát. bị liên lạc thủy âm.
Kết quả từ Hình 4 thể hiện sự xuống cấp hơn một chút nữa
của chất lượng tín hiệu thu khi ảnh hưởng của trải trễ tối đa
phát huy tác dụng và công suất đường phản xạ so sánh được
321
321
nguon tai.lieu . vn
