Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Mô hình đặc tính kênh truyền cho thông tin thủy âm vùng nước nông

Chia sẻ: Trần Văn Nan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án tập trung vào việc xây dựng các phương pháp hiệu quả và đủ chính xác để thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm dựa trên dữ liệu đo đạc trong môi trường nước nông. Mô hình mô phỏng này sẽ được dùng trong việc khảo sát chất lượng hệ thống thông tin thủy âm dùng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Mô hình đặc tính kênh truyền cho thông tin thủy âm vùng nước nông

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 này được hoàn thành tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Nguyễn Văn Đức 2. TS Phạm Văn Tiến Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào hồi . . . giờ, ngày . . . tháng . . . năm . . . Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
GIỚI THIỆU 1. Lý do chọn đề tài Hệ thống thông tin dưới nước có rất nhiều ứng dụng trong thương mại cũng như trong quân sự. Hiện nay, việc phát triển và nâng cao chất lượng dịch vụ hệ thống vẫn đối mặt với nhiều thách thức như sự giới hạn phổ tần số, tính biến động theo thời gian của kênh pha đinh sóng âm trong môi trường nước. Do đặc tính phức tạp của kênh thủy âm, chúng ta cần xét các kênh thủy âm theo mỗi điều kiện môi trường và địa lý khác nhau. Do đó, luận án tập trung vào hai mục tiêu là mô hình kênh và phân tích hiệu năng hệ thống thông tin thủy âm. 2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trong vài thập kỷ qua, có rất nhiều mô hình kênh thủy âm đã được đề xuất nhưng hiện vẫn chưa có một mô hình kênh tiêu chuẩn nào có thể áp dụng chung cho tất cả các kênh thủy âm do sự khác biệt trong điều kiện địa lý, thời tiết và theo mùa [24, 70, 73, 88, 93, 96]. Hiện nay có hai phương pháp chính để xây dựng các bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm là: phương pháp dựa trên mô hình hình học và phương pháp dựa trên dữ liệu đo. Các bộ mô phỏng dựa trên mô hình hình học sẽ dùng mô hình với các yếu tố hình học để xác định các tham số của mô hình kênh truyền. Mã Bellhop là một ví dụ điển hình cho phương pháp này, xây dựng mô hình kênh thủy âm dùng lý thuyết tia nhưng không xét đến sự biến đổi ngẫu nhiên của kênh [75]. Để khắc phục, một số nghiên cứu dựa trên mô hình Bellhop kết hợp với điều kiện môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ và độ mặn [89], tốc độ gió [28], hình dạng của bề mặt nước [37]. Một cách khác để xây dựng bộ mô phỏng kênh dựa trên mô hình hình học là kết hợp lý thuyết tia với các phương pháp thống kê để mô tả môi trường truyền sóng thủy âm [13, 17, 27, 55, 73, 75, 103, 104]. Phương pháp này có ưu điểm là 1
mô tả được kênh một cách tổng quát với số lượng ít các tham số cần ước lượng và có khả năng mở rộng theo các tham số hình học, điều kiện môi trường; do đó thường được dùng cho mục đích nghiên cứu tham số [55]. Nhược điểm của nó là kênh mô phỏng tạo ra rất khó trùng khớp với kênh thực tế trong một thời điểm cụ thể do khó xác định chính xác các tham số của môi trường nước nông. Phương pháp mô hình kênh dựa trên dữ liệu đo được xây dựng từ số liệu đo kênh thủy âm của một vùng cụ thể [24, 74, 76, 85, 105]. Bộ mô phỏng kênh truyền dựa trên dữ liệu đo không yêu cầu các tham số vật lý đầu vào vốn rất khó có thể xác định chính xác theo thời gian. Ưu điểm nổi bật nữa của phương pháp này là kênh mô phỏng tạo ra tái tạo rất chính xác kênh thực tế. Nhược điểm của phương pháp này là nó chỉ áp dụng cho một môi trường ở một thời điểm nhất định theo kênh đo đạc. Ngoài ra, cần áp dụng các thuật toán tối ưu để ước lượng một số lượng lớn các tham số khiến độ phức tạp trong tính toán của phương pháp này lớn hơn phương pháp dùng mô hình hình học. Tuy nhiên, để triển khai và tối ưu hệ thống thực tế thì việc đo kênh là bắt buộc. Tại Việt nam, mặc dù nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin thủy âm tăng nhanh trong quốc phòng và thương mại, tuy nhiên không có nhiều nghiên cứu về thông tin thủy âm, đặc biệt là trong lĩnh vực mô hình kênh [2, 3, 6]. Trong các nghiên cứu [1, 4, 5, 7, 8], một số đặc tính truyền sóng thủy âm được khảo sát nhưng chưa đưa ra một mô hình kênh toàn diện. Trong [6], các tác giả mô phỏng kênh tia truyền sóng âm qua việc giải hệ phương trình Eikonal với các đầu vào là các tham số môi trường. Các tham số này rất khó xác định chính xác do tính phức tạp của môi trường truyền sóng thủy âm. Thêm vào đó, các tia sóng âm được mô phỏng không phản ánh được tính biến động theo thời gian, do đó khó có thể áp dụng để mô hình kênh thủy âm trong thực tế trong hầu hết các trường hợp. 3. Mục tiêu của luận án Luận án tập trung vào việc xây dựng các phương pháp hiệu quả và đủ chính xác để thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm dựa trên dữ liệu đo đạc trong môi trường nước nông. Mô hình mô phỏng này sẽ được dùng trong việc khảo sát chất lượng hệ thống thông tin thủy âm dùng kỹ thuật ghép 2
kênh đa sóng mang trực giao OFDM. 4. Động lực nghiên cứu Hai phương pháp thiết kế các bộ mô phỏng kênh truyền thủy âm, phương pháp dùng mô hình hình học và dùng dữ liệu đo kênh, đều có những ưu nhược điểm nhất 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 dữ liệu đo để xây dựng các bộ mô phỏng kênh phục vụ cho việc tối ưu và triển khai hệ thống thực tế. Độ phức tạp trong tính toán số lượng lớn các tham số của phương pháp này là động lực để luận án đề xuất một phương pháp thiết kế nhằm giảm độ phức tạp tính toán đồng thời vẫn mô tả được kênh thủy âm thực tế. Bên cạnh đó, để thiết kế và khảo sát chất lượng hệ thống thông tin thủy âm, cần dựa trên việc phân tích các hàm đặc trưng cho kênh thủy âm gồm các hàm tương quan, mật độ phổ công suất Doppler (PSDs) và hàm công suất trễ (PDP) [55, 56]. Trong thực tế, các nghiên cứu về phổ Doppler lại rất hạn chế [94, 101] mặc dù nó đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hệ thống thông tin thủy âm. Đó chính là động lực cho việc phân tích và đề xuất một mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm vùng nước nông, nơi có hiệu ứng Doppler mạnh do sự nhiễu động của bề mặt. Một nhiệm vụ quan trọng nữa là việc phân tích và đánh giá chất lượng hệ thống thông tin (HTTT) thủy âm. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM được áp dụng rộng rãi trong HTTT thủy âm vì nó loại bỏ được nhiễu liên ký tự (ISI) [10, 22, 42, 68, 86] đồng thời làm tăng hiệu quả phổ so với hệ thống đơn sóng mang. Tuy nhiên hệ thống OFDM lại rất nhạy với dịch tần Doppler do các sóng mang sẽ mất tính trực giao và tạo nhiễu liên kênh ICI. Một số nghiên cứu dựa vào giả thiết phổ Doppler dạng phổ Jake, phổ phân bố đều hoặc phổ hai đường [9, 22, 47, 86] để phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI lên chất lượng hệ thống. Tuy nhiên các giả thiết này chưa được xác nhận tính đúng đắn. Luận án sẽ xem xét ảnh hưởng của nhiễu ICI bằng cách sử dụng bộ mô phỏng kênh dựa trên dữ liệu đo, phản ảnh đầy đủ các tính chất thực tế của kênh thủy âm thực tế. Hơn nữa, nhiễu trong HTTT thủy âm sẽ được xét là nhiễu màu chứ không coi là nhiễu trắng. Và hai loại nhiễu này sẽ được cùng xem xét để đánh 3
giá tác động tổng hợp của chúng lên chất lượng hệ thống thủy âm OFDM, khác với một số nghiên cứu hiện nay chỉ xét một trong 2 loại nhiễu này hoặc coi nhiễu môi trường là nhiễu trắng [9, 22, 86]. 5. Đóng góp của luận án Luận án tập trung vào việc phân tích các phương pháp mô hình kênh truyền thủy âm vùng nước nông và khảo sát chất lượng HTTT thủy âm, các đóng góp chính của luận án như sau: 1. Đề xuất phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm đơn giản trong tính toán và mô tả được các đặc tính của kênh thủy âm đo đạc trong thực tế. Đóng góp này được trình bày trong [J2], bộ mô phỏng kênh theo phương pháp hình học được ứng dụng trong [C1], theo phương pháp dựa trên dự liệu đo trong [J1],[J2]. 2. Phân tích cơ sở lý thuyết hiệu ứng Doppler trong thông tin dưới nước từ cả 2 nguyên nhân: sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, sự dịch chuyển phức tạp của mặt nước. Từ đó, đề xuất một mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm và xác nhận tính chính xác của nó thông qua dữ liệu đo phổ Doppler thực tế. Đóng góp này được công bố trong [J3]. 3. Thực hiện phân tích nhiễu ICI kết hợp với nhiễu môi trường đến HTTT thủy âm dùng kênh mô phỏng dựa trên dữ liệu đo. Dựa trên các kết quả phân tích tỷ số SIR, SINR và dung lượng kênh, các thông số thích hợp cho HTTT thủy âm được xác định. Các kết quả này rất có ích trong việc lựa chọn các tham số tối ưu trong thiết kế HTTT thủy âm. Nội dung của các đóng góp này được công bố trong [J1], [C1] và [C2]. 6. Bố cục của luận án Luận án gồm 3 chương. Chương 1 tập trung phân tích và đề xuất phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm. Chương 2 đề xuất và kiểm chứng mô hình phổ Doppler cho kênh thủy âm nước nông. Kháo sát chất lượng HTTT thủy âm dùng kỹ thuật OFDM được trình bày trong chương 3. 4
Chương 1 THIẾT KẾ BỘ MÔ PHỎNG KÊNH THỦY ÂM VÙNG NƯỚC NÔNG Chương này phân tích các phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm và đề xuất một phương pháp hiệu quả có độ chính xác cao, đồng thời giảm độ phức tạp trong tính toán. Ưu điểm chính của phương pháp đề xuất là các tham số của mô hình kênh được trích xuất trực tiếp từ dữ liệu đo. 1.1. Mô hình mô phỏng Để mô tả các kênh phức tạp như kênh thủy âm nước nông, mô hình kênh băng rộng không tương quan dạng tổng các hàm sin phức (SOCUS) được dùng phổ biến [38, 56]. Đáp ứng xung (TVCIR) của mô hình kênh này như sau [62] L−1 Nl cn,l ej (2πfn,l t+θn,l ) δ (τ − τl ) , XX h (τ, t) = (1.1) l=0 n=1 trong đó L là số các đường truyền sóng có trễ truyền lan τl khác nhau, Nl là số các đường truyền có cùng trễ truyền lan τl . Mỗi thành phần thứ n của đường truyền thứ l được đặc trưng bằng biên độ cn,l , tần số Doppler fn,l và pha θn,l . Giả thiết mô hình kênh dừng theo nghĩa rộng, hàm tương quan thời 5
gian tần số T-FCF được tính như sau [62]: L−1 Nl c2n,l ej2π(fn,l ∆t−τl ∆f ) XX 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 hiện phương pháp đề xuất cho thiết kế bộ mô phỏng kênh tĩnh (máy thu phát cố định). Các bước thiết kế trong lưu đồ Hình 1.10 được mô tả như sau: • Bước 1: Dựa vào dữ liệu đo kênh thực tế, hàm PDP ρˆ (τl ), với l = 0, 1, ..., L − 1, được xác định. • Bước 2: Mô hình mô phỏng của phương pháp đề xuất dùng mô hình SOCUS, phù hợp để thiết kế các bộ mô phỏng dựa trên dữ liệu đo. Với trường hợp kênh tĩnh, máy thu phát cố định nên không có dịch tần Doppler. Do đó, đặc tính thống kê của kênh được mô tả bằng 6
hàm tương quan tần số FCF RHH (∆f ) như sau: L−1 XX Nl RHH (∆f ) = c2n,l e−j2π∆f τl (1.3) l=0 n=1 với L được lấy trực tiếp từ PDP đo được. • Bước 3: Xác định các tham số cho mô hình kênh mô phỏng. Trễ truyền dẫn τl , với l = 0, 1, ..., L − 1, được trích trực tiếp từ PDP đo được ρˆ (τl ), trong khi biên độ của mỗi đường cn,l được tính từ PDP ρˆ (τl ) như sau: p cn,l = ρˆ (τl ), (1.4) với n = 1, 2, ..., Nl . Số lượng các thành phần Nl của mỗi đường truyền, với l = 0, 1, ..., L − 1, được lấy trực tiếp từ TVCIR hˆ (τl , t) đo được. Tóm lại, toàn bộ các thông số của mô hình đề xuất đều được lấy từ dữ liệu đo (hàm trễ công suất PDP của kênh thủy âm thực tế) mà không cần áp dụng một phương pháp tính toán tối ưu nào. 1 0.8 Normalized FCF 0.6 0.4 Reference model Measurement-based simulation model Geometry-based simulation model The proposed simulation model 0.2 -600 -400 -200 0 200 400 600 ∆ f [Hz] Hình 1.11: So sánh giữa hàm tương quan tần số FCF của kênh đo thực tế và của các phương pháp mô phỏng. Để đánh giá tính chính xác của bộ mô phỏng đề xuất, hàm tương quan tần số FCF của mô hình mô phỏng thu được bằng phương pháp dựa trên 7
Bảng 1.2: So sánh các phương pháp thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm Dựa trên mô Dựa trên dữ liệu Phương pháp đề Phương pháp hình hình học đo xuất Yêu cầu các phương pháp tính Có Có Không toán tối ưu Các thông số Hàm PDP đo Hàm PDP đo Dữ liệu vào yêu hình học và môi được của kênh được của kênh cấu trường của kênh thực tế thực tế thủy âm Số lượng các Tham số của các Vị trí cácn điểm tham số kênh cần o đườngntruyền L o× None phản xạ xopt i,n opt opt ước lượng N l × c , n,l lτ Sai số MSE 0.3824 1.2607 × 10−16 1.5010 × 10−16
dữ liệu đo truyền thống và phương pháp đề xuất sẽ được so sánh với nhau như trên Hình 1.11. Ta có thể thấy bộ mô phỏng đề xuất mô tả chính xác kênh đo được. Để so sánh các phương pháp, ta tính sai số trung bình bình phương (MSE: Mean Square Error) của hàm FCF mô phỏng với hàm FCF thực tế của kênh. Kết quả MSE và so sánh các yếu tố khác giữa các phương pháp vừa phân tích được liệt kê trong Bảng 1.2. Ta thấy phương pháp đề xuất có độ chính xác khá cao. Do đó có thể sử dụng tin cậy để mô phỏng kênh thủy âm. Cần nhấn mạnh rằng, phương pháp đề xuất không cần áp dụng một phương pháp tính toán tối ưu nào để xác định tham số như hai phương pháp hiện tại (dựa trên mô hình hình học và dữ liệu đo truyền thống). 1.3. Đề xuất phương pháp thiết kế cho kênh động Phần này đề xuất một phương pháp thiết kế hiệu quả để thiết kế bộ mô phỏng cho trường hợp kênh động, nghĩa là có sự dịch chuyển giữa máy thu phát và có hiệu ứng Doppler. Trong phương pháp đề xuất, chỉ có tần số Doppler của mỗi đường truyền là cần ước lượng bằng cách áp dụng thuật toán tối ưu, trong khi các tham số khác như biên độ và trễ truyền dẫn của mỗi đường truyền sẽ được lấy trực tiếp từ dữ liệu đo. Do đó, số lượng các tham số cần ước lượng sẽ giảm đi đáng kể. Các bước thực hiện thiết kế bộ mô phỏng kênh thủy âm theo phương pháp đề xuất được minh họa trên Hình 1.15, cụ thể như sau: • Bước 1: Dựa trên dữ liệu đo, hàm công suất trễ PDP ρˆ (τl ) và phổ Doppler Sˆ (f ) của kênh đo được xác định. Từ đó, hàm tương quan thời gian TCF R ˆ HH (∆t) của mô hình tham chiếu được lấy bằng biến đổi Fourier ngược của phổ Doppler đo được Sˆ (f ). • Bước 2: Mô hình kênh mô phỏng được chọn là mô hình SOCUS với pha θn,l ngẫu nhiên; còn các thành phần biên độ cn,l , trễ truyền dẫn τl , tần số Doppler fn,l và số các thành phần Nl có cùng trễ τl là xác định. Đặt ∆t = 0 của hàm T-FCF RHH (∆f, ∆t), hàm tương quan 9
Hình 1.15: Lưu đồ thực hiện phương pháp đề xuất cho trường hợp kênh động (máy thu dịch chuyển). tần số FCF của mô hình mô phỏng RHH (∆f ) được tính bởi L−1 XX Nl RHH (∆f ) = c2n,l e−j2πτl ∆f . (1.5) l=0 n=1 Tương tự, hàm tương quan thời gian TCF của mô hình mô phỏng RHH (∆t) được xác định bằng cách đặc ∆t = 0, nghĩa là L−1 XX Nl RHH (∆t) = c2n,l ej2πfn,l ∆t . (1.6) l=0 n=1 • Bước 3: Trễ truyền dẫn τl được lấy trực tiếp từ PDP ρˆ (τl ) đo được, còn biên độ mỗi đường cn,l được tính bằng p cn,l = ρˆ (l∆τ ) (1.7) 10
với l = 0, 1, ..., L − 1 và Nl được chọn bằng với phương pháp truyền thống để dễ so sánh độ phức tạp tính toán. Do đó, hàm FCF của mô hình mô phỏng được tính từ các thông số xác định {Nl , cn,l , τl } theo (1.5). • Bước 4: Thuật toán tối ưu LPNM được áp dụng để ước lượng các tham số của bộ mô phỏng. Trong phương pháp đề xuất, chỉ có tần số Doppler fn,l của các đường truyền là cần phải ước lượng bằng cách tối thiểu hóa hàm sau:  ∆tZmax  p1 1
p ˆ HH (∆t)
d (∆t) , E=
RHH (∆t) − R (1.8)
∆tmax 0 ˆ HH (∆t) lần lượt là hàm TCF của mô hình mô với RHH (∆t) và R phỏng và mô hình tham chiếu. Biến thời gian ∆t được lấy theo dữ liệu đo. Ta thấy tập các tham số kênh {Nl , cn,l , fn,l , τl } đã được xác định với số tham số cần ước lượng giảm đi. Cụ thể là trong phương pháp đề xuất, số lượng các tham số cần ước lượng là L × Nl thì trong phương pháp truyền thống là 3 × L × Nl . Do đó, độ phức tạp trong tính toán giảm còn một phần ba so với phương pháp truyền thống. Để đánh giá chất lượng của phương pháp đề xuất, ta so sánh tính chất thống kê của nó với kênh đo được. Hình 1.17 thể hiện hàm tương quan tần số-thời gian TFCF của mô hình tham chiếu và mô hình mô phỏng. Ta thấy hai hàm này khá phù hợp, nói cách khác mô hình mô phỏng có thể tái tạo lại kênh thủy âm thực tế đo được. 11
Reference T-FCF Proposed simulation T-FCF 1 0.8 Normalized T-FCF 0.6 0.4 12 0.2 0 800 600 1.5 400 1 200 0 0.5 -200 0 -400 -0.5 ∆ f [Hz] -600 -1 ∆ t [s] -800 -1.5 Hình 1.17 So sánh hàm tham chiếu T-FCF từ dữ liệu đo và hàm T-FCF của mô hình mô phỏng theo phương pháp đề xuất.