Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM" là nghiên cứu thuật toán để đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trường truyền tin dưới nước.; Nghiên cứu phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình Sin với các ưu điểm so với các phương pháp hiện nay;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM

GIỚI THIỆU 1. Lý do chọn đề tài Trong một vài năm trở lại đây, thông tin dưới nước đang được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như: thám hiểm đại dương, quan trắc địa hình dưới biển, vận hành và truyền thông tin giữa các tàu ngầm và đặc biệt có vai trò quan trọng trông lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng. Do vậy, thông tin dưới nước đang trở thành một trong những lĩnh vực được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay. Kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao - OFDM có hiệu quả sử dụng phổ cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt và rất dễ dàng loại bỏ nhiễu. Sử dụng sóng âm kết hợp với kỹ thuật OFDM và các thuật toán xử lý tín hiệu có thể hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu, đồng bộ giữa bên phát và bên thu để giải mã chính xác tín hiệu trong môi trường truyền thông dưới nước. Môi trường thủy âm có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, trong đó có yếu tố dịch chuyển giữa bên phát và bên thu gây ra hiệu ứng Doppler, vì vậy luận án cũng tập trung vào việc đề xuất các phương pháp bù dịch tần Doppler mới để giải mã chính xác tín hiệu bên thu và tận dụng tốt băng thông truyền dẫn. 2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Thông tin dưới nước đang trở thành một trong những vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay. Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5 Km/s) so với tốc độ truyền tín hiệu sóng vô tuyến trong chân không (300.000 Km/s) nên băng thông truyền tín hiệu trong nước là rất nhỏ chỉ cỡ vài chục Khz. Ngoài ra do suy hao lớn và nhiễu mạnh do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như môi trường, sóng, gió và các phương tiện giao thông đường thủy, …. nên khoảng cách truyền tin cũng bị hạn chế rất nhiều chỉ một vài km. Vì vậy, các nghiên cứu hiện nay thường tập trung vào việc xử lý đồng bộ, loại bỏ nhiễu, bù dịch tần Doppler khi có sự dịch chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu, cải thiện chất lượng của tín hiệu sau khi được giải mã. 3. Mục tiêu của luận án Luận án tập trung vào các vấn đề sau: • Nghiên cứu thuật toán để đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trường truyền tin dưới nước. • Nghiên cứu phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình Sin với các ưu điểm so với các phương pháp hiện nay. 1
• Đề xuất một phương pháp bù dịch tần Doppler hoàn toàn mới, sử dụng một tần số sóng mang tín hiệu dẫn đường CFP để tính toán và bù dịch tần Doppler. • Nghiên cứu cải tiến và đưa ra phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler. • Đề xuất mô hình hệ thống MIMO-OFDM sử dụng kỹ thuật mã hóa không gian thời gian mà chỉ sử dụng 1 cặp anten thu phát ở trên. Đưa ra thuật toán lựa chọn tín hiệu thu sử dụng thuật toán giải mã tối ưu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận được nhằm tối ưu hóa quá trình giải mã tín hiệu và tăng hiệu quả của quá trình truyền tin. 4. Động lực nghiên cứu: Việc kết hợp giữa Kỹ thuật OFDM với đặc tính phân tập không gian-thời gian được sử dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực truyền thông hiện nay. Hệ thống thủy âm sử dụng kết hợp hai kỹ thuật này để cải thiện chất lượng tín hiệu là rất phù hợp. Tuy nhiên, do đặc điểm môi trường dưới nước có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến truyền dẫn nên có rất nhiều nghiên cứu và công bố khoa học tập trung vào các vấn đề như : đồng bộ hệ thống, bù dịch tần Doppler, loại bỏ nhiễu ICI, cải thiện chất lượng tín hiệu,… Vì vậy, nội dung của luận án sẽ đề xuất các phương pháp, thuật toán mới kết hợp với thực nghiệm để so sánh với kết quả ưu điểm hơn so với các nghiên cứu trước đó. 5. Đóng góp của luận án: Luận án có các đóng góp mới như sau: • Đề xuất thuật toán về đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi bảo vệ GI cho hệ thống OFDM dưới nước. • Đề xuất phương pháp bù dịch tần Doppler không sử dụng các ký tự đặc biệt mà dùng tần số sóng mang pilot CFP (Nội dung này được cấp Bằng sáng chế của Cục sở hữu trí tuệ- Bộ Khoa học và Công nghệ). Đưa ra phương pháp mới về giải mã trực tiếp sử dụng CFP để bù dịch tần Doppler cho hệ thống dưới nước. • Cải thiện chất lượng tín hiệu thủy âm sử dụng kết hợp kỹ thuật OFDM và đặc tính phân tập không gian-thời gian. Phương pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một anten thu phát, tín hiệu truyền đi được lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào chất lượng kênh truyền. Đưa ra thuật toán lựa chọn tín hiệu nhằm tối ưu hóa quá trình giải mã tín hiệu và tăng hiệu quả của quá trình truyền tin. 2
6. Bố cục của luận án Nội dung của luận án chia làm 4 chương: Chương 1. Trình bày các đặc tính của kênh truyền thông tin dưới nước và ứng dụng kỹ thuật OFDM cho hệ thống thủy âm và so sánh ưu-nhược điểm của hệ thống OFDMA và SC-FDMA. Chương 2. Đề cập đến đồng bộ thời gian trong hệ thống OFDM, qua đó đề xuất phương pháp đồng bộ thời gian mới bằng cách phát hiện vị trí của khoảng bảo vệ (GI). Chương 3. Trình bày các kỹ thuật bù dịch tần Doppler cho hệ thống OFDM truyền thông dưới nước, đề xuất phương pháp mới về bù dịch tần Doppler dựa trên chuỗi tín hiệu hình sin. Tiếp theo, đề xuất phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng tín hiệu sóng mang dẫn đường CFP (Carrier Frequency Pilot). Cuối cùng là phương pháp giải mã trực tiếp tín hiệu (A Direct Decoder). Chương 4. Trình bày về hệ thống MIMO và đặc tính phân tập của hệ thống. Sau đó, đề xuất áp dụng kỹ thuật phân tập không gian thời gian cho hệ thống truyền thông dưới nước nhưng chỉ sử dụng một cặp anten thu phát (SISO). CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC Chương này giới thiệu về hệ thống thông tin dưới nước sử dụng sóng âm. Do môi trường dưới nước có nhiều yếu tố phức tạp ảnh hưởng đến tín hiệu nên việc sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM là cần thiết. Tiến hành thực nghiệm và so sánh kết quả với hệ thống sử dụng kỹ thuật SC-FDMA cho thấy ưu điểm của hệ thống OFDMA là vượt trội. 1.1. Đặt vấn đề Một số công nghệ truyền tin mới được ứng dụng trong truyền thông dưới nước như OFDM [6] được ứng dụng do khả năng sử dụng hiệu quả băng tần và đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đường tốt. Tuy nhiên, kỹ thuật OFDM có nhược điểm là có PAPR cao nên ảnh hướng đến khả năng hoạt động của bộ khuếch đại công suất từ đó làm giảm đáng kế khoảng cách truyền tin. Việc giảm PAPR có nhiều giải pháp [4] mà trong đó sử dụng kỹ thuật SC-FDMA là một giải pháp đáng quan tâm. SC-FDMA [7] là kỹ thuật được sử dụng trong đường xuống mạng LTE (4G) [8]. Sơ đồ kênh truyền dẫn thủy âm sử dụng phương thức điều chế OFDMA và SC-FDMA 3
Hình 1.10. Sơ đồ so sánh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và SC- FDMA [5] 1.2. Kết quả mô phỏng Thực hiện với hai trường hợp. thứ nhất là kênh Gauss và thứ hai là kênh Rayleigh. Thông số mô phỏng là NFFT=2048, GI=1024 0 BER for BPSK using OFDM and SC-FDMA in a 10-tap Rayleigh channel 10 Rayleigh-Theory Rayleigh-Simulation -1 SC-FDMA 10 -2 10 Bit Error Rate -3 10 -4 10 -5 10 5 10 15 20 25 30 35 Eb/No, dB Hình 1.12. Kết quả mô phỏng và lý thuyết trong trường hợp điều chế BPSK, NFFT=2048, GI=1024, với kênh Rayleigh nTap=10 Nhận xét: với giá trị SNR thấp, điều chế SC-FDMA cho chất lượng tín hiệu không tốt bằng OFDM. Kết quả trong trường hợp có cắt bỏ PAPR. 4
Hình1.13: Dạng tín hiệu OFDM và SC-FDMA bị cắt đỉnh khi vượt ngưỡng 0 10 OFDM SCFDMA -1 10 SER -2 10 -3 10 0 5 10 15 20 25 30 35 SNR in dB Hình 1.14: So sánh kết quả mô phỏng 1.3. Kết quả thực nghiệm Hệ thống được thực nghiệm tại hồ Tiền ĐHBK Hà nội. Khoảng cách giữa phát thu là 100m, tín hiệu được phát đảm bảo công suất là như nhau và vị trí của các transducer là không thay đổi. Các thông số điều chế: NFFT=2048, GI=1024, dải tần fmin=12 KHz; fmax= 15KHz, điều chế QPSK. Scatter plot Scatter plot 1.5 2 1.5 1 1 0.5 0.5 Quadrature Quadrature 0 0 -0.5 -0.5 -1 -1 -1.5 -1.5 -2 -2.5 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 -2 -1 0 1 2 In-Phase In-Phase Hình 1.15. a. Chòm sao OFDMA thu được SER=0.048 b. Chòm sao SC-FDMA SER=0.103 Việc truyền tin dưới nước sử dụng điều chế OFDMA và SC-FDMA là hoàn toàn khả thi. Tuy nhiên mặc dù SC-FDMA có lợi hơn OFDMA về tỷ số PAPR nhưng với cùng các thông số điều chế như nhau cả về lý thuyết, mô phỏng và thực tế khi áp dụng trong môi trường truyền thông dưới nước thì trong cả hai trường hợp tín hiệu có cắt PAPR và không cắt PAPR thì hệ thống SC- FDMA đều cho chất lượng tín hiệu thu được kém hơn so với hệ thống OFDM. 1.4. Kết luận chương Trong chương này luận án đã trình bày chi tiết về kỹ thuật OFDM, đồng thời cũng phân tích các ưu - nhược điểm cũng như các vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM. Từ đó ta có 5
thể áp dụng những lợi thế của kỹ thuật OFDM trong việc giải quyết các vấn đề trong hệ thống thông tin dưới nước . CHƯƠNG 2 ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC Nội dung Chương 2 trình bày các phương pháp đồng bộ thời gian cho hệ thống OFDM. Việc xác định được điểm bắt đầu của mỗi khung truyền dẫn là rất quan trọng. Có rất nhiều phương pháp hiện nay sử dụng chuỗi ký tự mào đầu đặc biệt để phát hiện, tuy nhiên do băng thông của tín hiệu sóng âm là hạn chế nên luận án đề xuất phương pháp sử dụng thuật toán để phát hiện khoảng bảo vệ GI. 2.1. Mô tả hệ thống Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống OFDM 2.2. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi bảo vệ GI Hầu hết các phương pháp đồng bộ thời gian thông thường sử dụng chuỗi kí tự đặc biệt biết trước hoặc Header như phương pháp của Schmidl [8], phương pháp của Park và Seung [19]. Các phương pháp này dẫn đến sự thừa của băng thông để gửi các ký hiệu thí điểm. Do đó, tác giả đề xuất một thuật toán đồng bộ hóa thời gian cho thông tin liên lạc âm thanh dưới nước, sử dụng khoảng bảo vệ (GI) được lấy ra từ trong ký tự OFDM. Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chống lại nhiễu ISI. 6
Begin T := 0 L − N −G Step1: Caculate P(i ) =  | y (i : i + G ) − y (i + N :i + N + G ) | i =0 Q(i) = max(P(i))-P(i)) Step2: Caculate i = 0,..., L − N − G L − N −G Step3: Caculate R (i ) = i =0 | y (i : i + G ). y (i + N : i + N + G ) | Step4: M ( i ) = P ( i ). R ( i ) Step5: M (i):= M (i) / max(M(i)) i =0,..., L− N −G T:=T +1 YES T  Tsyn NO End Hình 2.6. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI 2.3. Kết quả thực nghiệm Hệ thống được thực nghiệm tại Hồ Tiền-Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Hệ thống được thiết lập với khoảng cách giữa bên phát và thu là 60m với độ sâu là 1m. Hình 2.10. So sánh độ ổn định tín hiệu Hình 2.11. So sánh SNR giữa hai 7
giữa 2 đỉnh đồng bộ gần nhất 2.4. Kết luận chương Đồng bộ thời gian trong hệ thống OFDM là vô cùng quan trọng quyết định đến hiệu suất của hệ thống OFDM. Các thuật toán đồng bộ thời gian chủ yếu sử dụng chuỗi symbol huấn luyện cho kết quả đồng bộ tốt nhưng lại lãng phí băng thông và giảm tốc độ truyền dữ liệu. Phương pháp do luận văn trình bày đã giải quyết tốt vấn đề hiệu quả sử dụng băng thông, do chỉ sử dụng chuỗi GI để đồng bộ, đồng thời các kết quả thực nghiệm đã chứng minh phương pháp do tác giả đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với các phương pháp hiện nay. CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 3.1. Đặt vấn đề Thông tin dưới nước đang trở thành một trong những vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay. Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tương đối chậm giữa bên phát và thu cũng gây ra lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến tín hiệu OFDM. Có nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM như [6]. Phương pháp được đề xuất ở đây cũng khác với các phương pháp trước đây là việc tính toán độ lệch tần Doppler được thực hiện trước khi đồng bộ tín hiệu. Do đó không cần đòi hỏi phải xác định chính xác điểm bắt đầu của các khung dữ liệu. Ngoài ra việc sử dụng phương pháp này có khả năng xác định một cách gần chính xác độ lệch tần số Doppler của tín hiệu thu ngay từ bước đồng bộ thô do vậy ở bước đồng bộ tinh việc điều chỉnh tín hiệu dựa trên tính sai lệch góc pha của tín hiệu Pilot của các symbol và ở bước cuối cùng chỉ cẩn sử dụng thuật toán xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh chính xác chòm sao tín hiệu thu trong trường hợp vẫn chưa điều chỉnh hết độ lệch tần số. 3.2. Đề xuất phương pháp chèn chuỗi hình sin: a. Mô hình hệ thống 8
b. Mô hình chèn chuỗi sin Mô tả thuật toán đồng bộ: Tại phía thu, quá trình đồng bộ được thực hiện qua hai bước, đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Ở bước đồng bộ thô, việc tính toán độ lệch tần số Doppler sẽ dựa trên chuỗi tín hiệu sin được gắn vào cuối mỗi khung truyền. Ở bước này, việc tính toán độ chính xác độ lệch tần số Doppler phụ thuộc vào độ dài chuỗi tín hiệu hình sin. Như đã nói ở trên, nếu độ dài chuỗi tín hiệu sin quá lớn sẽ ảnh hưởng tới băng thông của hệ thống nên trong thực nghiệm sử dụng chuỗi sin có độ dài tương đương với độ dài của 3 tín hiệu OFDM. Do vậy việc tính toán độ lệch tần Doppler chỉ tương đối ở bước đồng bộ này. Việc điều chỉnh chính xác độ lệch tần sẽ được thực hiện trong bước đồng bộ tinh. • Bước 1: Đồng bộ thô Trước tiên các khung sẽ được tách ra dựa trên khoảng trắng giữa các khung. Bên thu sẽ tính tần số thu được tương ứng với sóng mang dựa trên tín hiệu sin phát đi được gắn vào cuối mỗi khung. Khi đó tần số sóng mang tại máy thu dựa trên chuỗi tín hiệu sin được tính theo công thức (3.14) như sau: Zc *Fs Fr = (3.14) Sin_Length Trong đó ZC (Zeros Cross) là số lần cắt không của tín hiệu thu được. Độ lệch tần số lấy mẫu cần điều chỉnh được tính bởi công thức (3.15): 9
(Fc -Fr )*fs ∆f = [ ] (3.15) Fc Trong đó Fc là tần số sóng mang bên phát phát đi và [.] là phép làm tròn số. Tuy nhiên để có thể lấy mẫu trở lại tín hiệu thì giá trị này cần phải được làm tròn số ở đây tác giả sử dụng hàm nội suy và lấy mẫu lại của Matlab. Sai lệch do tính không chính xác tần số Doppler và do quá trình làm tròn số cùng với sai lệch do ảnh hưởng của quá trình truyền gây ra do môi trường và các dao động do sóng mặt nước gây ra sẽ được bù lại trong phần đồng bộ tinh thông qua ước lượng kênh truyền. Tiếp theo đó tín hiệu thu sẽ được tái lấy mẫu lại theo tần số lấy mẫu mới bằng: frs = fs + ∆f (3.16) Sau khi được lấy mẫu lại tín hiệu thu được: yr(n) = Resample [y(n)], tín hiệu yr(n) sẽ được đưa qua khối tìm đồng bộ tinh để xác định điểm bắt đầu của khung tín hiệu. Phương pháp xác định điểm đầu của OFDM symbol Để xác định điểm bắt đầu của OFDM symbol, đầu tiên ta sẽ tính toán sai lệch lớn nhất hai mẫu tín hiệu nằm trong hai cửa sổ như phương trình dưới đây: NG P(i) = ∑i=1 |y(i: i + GI)-y(i + K-GI: i + K)| (3.17) P = max(P(i))-P(i) (3.18) Trong đó: + GI = NG – 1 là chiều dài khoảng bảo vệ + K = NS + NG – 2 = 2*NFFT + GI + 1 Tiếp đến tìm tập giá trị tương quan của liên hợp phức của mẫu trong cửa sổ W2 với mẫu tín hiệu cửa sổ W1. NG R(i) = ∑i=0 |y(i: i + GI). y * (i + K-GI: i + K)| (3.19) Để tăng khả năng xác định chính xác điểm bắt đầu OFDM symbol, giá trị các đỉnh tương quan cần được tách biệt rõ ràng, muốn thế ta nhân hai phương trình trên với nhau, kết quả chuẩn hóa được thể hiện như phương trình dưới đây: (P(i)*R(i)) syn = (3.20) max ((P(i)*R(i)) • Bước 2: Xoay pha tín hiệu Việc hiệu chỉnh tần số Doppler cần phải làm tròn số để thực hiện tái lấy mẫu lại tín hiệu cộng thêm với cả sai số do tính toán và ảnh hưởng của môi trường nên vẫn còn tồn tại sự khác biệt giữa tần số tín hiệu thu và phát. Điều này sẽ khiến cho chòm sao của tín hiệu thu được bị xoay đi một góc như Hình 3.7 (a) 10
Hình 3.7. (a). Chòm sao tín hiệu thu (b).Chòm sao xoay lại bằng thuật toán xoay pha 3.3. Đề xuất phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng sóng mang CPF Tác giả đề xuất một phương pháp mới để bù sự thay đổi tần số Doppler cho các hệ thống truyền thông âm thanh dưới nước dựa trên OFDM. Để tiết kiệm băng thông, tác giả không sử dụng thêm tín hiệu mào đầu (preamble) trong mỗi khung OFDM như được đề xuất trong nhiều phương pháp thông thường. 3.3.1 Mô tả hệ thống Khác với hệ thống OFDM không dây, sự thay đổi của tần số Doppler trong hệ thống thủy âm có thể được gây ra bởi các nguồn khác nhau, chẳng hạn như chuyển động tương đối của tranceivers, chuyển động bề mặt nước, hỗn loạn thành phần ở dưới nước. Do đó, tính trực giao của tín hiệu OFDM sẽ bị ảnh hưởng dẫn đến nhiễu ICI trong hệ thống. Trong phương pháp được đề xuất, tần số Doppler được ước tính trước khi tín hiệu OFDM được đồng bộ. Để ước tính tần số Doppler, sóng mang phụ được dành riêng để sử dụng làm tần số tham chiếu. Tín hiệu sóng mang dẫn đường này được gọi là CFP. CFP thường được tăng cường công suất phát so với các sóng mang phụ khác, và nó có thể được sử dụng cho tần số Doppler để ước lượng kênh. Để bù lại sự thay đổi tần số Doppler, luận án đề xuất triển khai hai bước đồng bộ hóa tần số. Bước đầu tiên thực hiện đồng bộ hóa thô, trong khi bước thứ hai điều chỉnh sự thay đổi tần số Doppler thu được ở mức chính xác hơn của tần số Doppler ước tính. Tác giả đặt tên cho bước này là bước đồng bộ hóa tinh. Đồng bộ thô dựa trên thông tin của CFP, trong khi đồng bộ tinh được thực hiện trên cơ sở thông tin góc của tín hiệu pilot của hai ký hiệu liên tiếp. 11
1 2 4 5 6 7 8 9 3 21 20 18 16 14 13 23 11 10 22 19 17 15 12 Hình 3.14: Hệ thống truyền dữ liệu số trên kênh truyền thủy âm Điểm mới của phương pháp đề xuất có ưu điểm là không cần gắn thêm phần thông tin bổ sung vào đầu hay cuối của khung dữ liệu, thay vào đó sẽ sử dụng một trong nhiều sóng mang của hệ thống OFDM làm tín hiệu dẫn đường sóng mang (Carrier Frequency Pilot- CFP). Các CFP sẽ được tăng công suất phát lớn hơn mức công suất phát trung bình của tín hiệu OFDM. CFP sẽ có hai chức năng, một chức năng vẫn làm Pilot cho hệ thống OFDM như những Pilot thông thường khác và một chức năng thứ hai là làm sóng mang dùng để bên thu có thể qua đó tính được độ dịch tần số Doppler. Nhược điểm của phương pháp tác giả đề xuất là sẽ làm tăng công suất phát tín hiệu. Tỷ lệ phần trăm mức công suất tăng thêm của tín hiệu phát được tính: Mức công suất tăng thêm của CFP (Ac) Mức công suất trung bình (Av) Hình 3.14. Phổ công suất trung bình tín hiệu = PCFP − P  A2 − (2( M − 1) / 3 = 100  c (%)  P 2 K ( M − 1) / 3 (3.21) 12
Trong đó - PCFP là công suất phát của tín hiệu OFDM có gắn CFP - P là công suất phát của tín hiệu OFDM không có CFP - Ac là biên độ của CFP - K là tổng số sóng mang dữ liệu của hệ thống OFDM - M là số mức điều chế Trong trường hợp của phương pháp đề xuất sử dụng băng thông 20-28Khz với Ac=6 thì   10% . 3.3.2 Mô tả chi tiết phương pháp thực hiện Điểm mới thứ nhất của phương pháp là đề xuất sử dụng một sóng mang trong hệ thống OFDM thành song mang dẫn đường CFP. Mức biên độ cụ thể của CFP ký hiệu là Ac phải lớn hơn mức biên độ trung bình của tín hiệu OFDM: Ac  2( M − 1) / 3 (3.22) - Tần số của sóng mang dẫn đường CFP ký hiệu là Fc được tính: Fc = F  (c − 1) (3.23) Ở đây F là khoảng cách giữa hai sóng mang trong hệ thống OFDM, c là chỉ số sóng mang tương ứng với CFP. Khoảng cách giữa hai sóng mang trong hệ thống OFDM được tính: fs F = N −1 (3.24) Với fs là tần số lấy mẫu của tín hiệu, N là độ dài dùng để biến đổi Fourier cho tín hiệu OFDM. N cũng chính là tổng số sóng mang của hệ thống. - Điểm mới thứ 2 là hệ thống thu thực hiện lấy mẫu lại tín hiệu trước khi thực hiện đồng bộ nên đảm bảo phát hiện chính xác điểm bắt đầu khung dữ liệu. Với y là tín hiệu ở đầu ra khối BPF (13), Lf là độ dài của y. Tại khối (14) thực hiện biến đổi Fourier rời rạc cho y với độ dài Lf được tín hiệu Y: Y = F {y} (3.25) - Tần số tín hiệu thu được Fr tương ứng với CFP được tính theo công thức: arg(max Y (1 : LF / 2) ). f s Fr = Lf (3.26) Trong đó fs là tần số lấy mẫu của tín hiệu Độ lệch tần Doppler khi thực hiện đồng bộ thô sẽ được tính dựa trên tần số thu Fr theo công thức: 13
 (F − Fr ). f s  f =  c  (3.27)  Fc  Trong đó hàm [.] dùng để làm tròn số. Khi đó tần số lấy mẫu mới frs được tính : f rs = f s + f (3.28) Tần số lấy mẫu này được đưa đến khối (15) để lấy mẫu lại cho tín hiệu y để được tín hiệu yr tín hiệu yr sẽ được đưa đến khối (16): yr=resample(y) - Ở bước đồng bộ tinh ta sẽ tính toán độ lệch tần Doppler dựa trên CFP trong khung tín hiệu OFDM sau khi đã đồng bộ thô. Gọi  là góc lệch giữa hai CFP liên tiếp, khi đó  sẽ được tính:  = mean(angle (H k ,i − H k ,i+1 )) (3.29) Ở đây H là giá trị kênh truyền ước lượng được tại các CFP; k là chỉ số sóng mang con thứ k và i là số thứ tự của tín hiệu OFDM thứ i trong khung tín hiệu OFDM; mean dùng để tính giá trị trung bình và angle dùng để tính góc của một giá trị là số phức. Từ giá trị  , độ lệch thời gian giữa hai mẫu tín hiệu trong mỗi tín hiệu OFDM được tính:   fs t = ( N + GI )  2    Fc (3.30) Tín hiệu thu được qua khử nhiễu ICI: ~ = y yr ICI r (3.31) Trong đó y r là tín hiệu thu được ở đầu ra khối (17), ~ yr sẽ được đưa đến đầu vào khối (22)  ICI là ma trận khử nhiễu ICI được đề xuất như sau:  g (0) g (−T ) ... g ((− L − 1)T ) 0 0 ... 0   g (T − t ) g (−t ) ... g (− LT − t ) g ((− L − 1)T − t ) 0 ... 0     g (2T − 2t ) g (T − 2t ) ... g ((− L + 1)T − 2t ) g (− LT − 2t ) g ((− L − 1)T − 2t ) ... 0               ICI =  g (( L − 1)T − ( L − 1)t ) g (( L − 2)T − ( L − 1)t ) ... g (−3T − ( L − 1)t ) g (−4T − ( L − 1)t ) g (−5T − ( L − 1)t ) ... 0     0 g (( L − 1)T − Lt ) ... g (−2T − Lt ) g (−3T − Lt ) g (−4T − Lt ) ... 0               0 0 ... g ( LT − ( N − 2)t ) g (( L − 1)T − ( N − 2)t ) g (( L − 2)T − ( N − 2)t ) ... 0   g ( LT − ( N − 1)t ) g (( L − 1)T − ( N − 1)t ) g (( N − 1)t )  0 0 ... 0  (3.32) Với g(t) là hàm dùng để xây dựng ma trận khử nhiễu  ICI trong miền thời gian : sin(t / T ) cos(t / T ) g (t ) = t / T 1 − 4 2t 2 / T 2 (3.33) 3.4. Phương pháp giải mã trực tiếp 14
Luận án đề xuất một phương pháp mới để bù sự thay đổi tần số Doppler cho các hệ thống truyền thông âm thanh dưới nước dựa trên OFDM. Phương pháp này cũng sử dụng sóng mang phụ trung tâm được sử dụng dành riêng cho truyền dẫn pilot gọi là tần số sóng mang dẫn đường (CFP), được sử dụng để phát hiện tần số Doppler. Tại phía thu, thay vì áp dụng hai bước đồng bộ thô và đồng bộ tinh thì tác giả đề xuất chỉ sử dụng một bước duy nhất để giải mã tín hiệu. Ưu điểm của phương pháp được đề xuất là giảm được thời gian tính toán của hệ thống do đó có thể theo dõi sự biến thiên thời gian nhanh của tần số Doppler và đáp ứng tốt với tín hiệu truyền trong thời gian thực. Thực nghiệm và kết quả Các thí nghiệm dưới nước được thực hiện tại hồ Hồ Tiền tại Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST). Mô hình thí nghiệm được minh họa trong Hình 3.16. Hình 3.16. Mô hình thực nghiệm Trong thí nghiệm này, bộ thu tín hiệu được đặt ở vị trí cố định bên cạnh hồ. Bộ phát nằm trên chiếc thuyền nhỏ được kéo bằng dây thừng từ cả hai phía theo hướng bên phải về phía bộ nhận tín hiệu. Sau đó, các kết quả được xử lý bởi phần mềm, được phát triển bởi Phòng thí nghiệm truyền thông không dây (WICOM-LAB). Bảng 4. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng CFP Thông số Giá trị 1 Tranducer phát – 1 Tranducer thu SISO Tần số lấy mẫu (KHz) 96 Băng thông (KHz) 20-28 Độ dài FFT ( N ) FFT 2048 Độ dài khoảng bảo vệ (GI) 1024 Phương pháp điều chế QPSK Chiều dài của OFDM symbol (ms) 32 Khoảng cách giữa các sóng mang OFDM (Hz) 46.865 Số OFDM symbol trên một khung ( N S ) 30 Chiều dài khung ( T ) (ms) f 960 Độ dài chuỗi sin (ms) 200 15
Biên độ của CFP 6 Biên độ của sóng mang thường 1,4142 Khoảng trống giữa các khung (ms) 150 Độ dài của g(t) 15 Hình 3.17. a. Tín hiệu OFDM thu được trong miền thời gian b. Phổ của tín hiệu với sóng mang CFP ở trung tâm Hình 3.18. Biến thiên của độ dịch tần Doppler theo vận tốc dịch chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu RX0 PP GM2B PP GMTT Hình 3.19. So sánh SER của phương pháp giải mã trực tiếp và giải mã 2 bước 16
Nhận xét: Phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler có các ưu điểm vượt trội là: phần giải mã chỉ sử dụng một bước 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. 3.5. Kết luận chương Việc áp dụng phương pháp đề xuất cho phép tăng hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống OFDM. Cho phép truyền tín hiệu OFDM ở dưới nước trong khi di chuyển với tốc độ rất cao. Theo mô phỏng cho phép độ lệch tần Doppler giữa bên phát với bên thu là hàng nghìn Hz (so sánh với tần số tín hiệu phát chỉ 24 KHz) thì tương đương với tốc độ di chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu là hàng trăm m/s còn trong thực nghiệm tại hồ Tiền trường Đại học Bách Khoa Hà nội là
nên cùng một tín hiệu truyền đi sẽ được thực hiện ở hai vị trí khác nhau điều này tạo nên tính phân tập trong không gian tín hiệu. Hình 4.4. Mỗi khung tín hiệu được phát lặp N lần 4.2. Đề xuất phương pháp giải mã tối ưu cho N tín hiệu thu có phân tập không gian- thời gian a. Kỹ thuật MRC giải mã tín hiệu thu phân tập Kỹ thuật MRC (Maximal Ratio Combining) được sử dụng cho trường hợp hệ thống có một anten phát và nhiều anten thu như hình dưới đây: Hình 4.5: Hệ thống 1 anten phát nhiều anten thu (SIMO) Trong đó X là tín hiệu phát, H là kênh truyền và Y là tín hiệu thu từ N anten. Y = H .X + N0 (4.6) Kỹ thuật giải mã tín hiệu theo phương pháp MRC áp dụng cho hệ thống một anten phát nhiều thu được thực hiện như sau: H HY X= H (4.7) H H với: H H là chuyển vị và liên hợp phức của H Kỹ thuật nhiều Tranducer thu một phát dựa trên đặc tính phân tập không gian của tín hiệu thu được độ chính xác của tín hiệu thu được tăng lên khi số lượng tranducer thu tăng. Tuy nhiên số lượng tranducer thu không thể tăng quá lớn vì khi đó hệ thống sẽ trở nên phức tạp. b. Đề xuất phương pháp giải mã tối ưu cho N tín hiệu thu có phân tập không gian- thời gian Để lựa chọn phương án tốt nhất, luận án đề xuất thuật toán giải mã tối ưu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận được. Đối với tín hiệu thủy âm, tín hiệu nhận được là N khung. Khi đó việc sử dụng N khung để giải mã tín hiệu theo phương pháp MRC không phải là lựa chọn tối ưu bởi vì thực tế có sự khác biệt lớn về chất lượng tín hiệu giữa các khung truyền. Vì vậy nếu áp dụng kỹ thuật MRC cho N khung thì chưa phải là giải pháp tối ưu nhất. Còn nếu áp dụng phương pháp giải mã tối ưu, nghĩa là kết hợp 18
tất cả các trường có có thể xảy ra với N khung thì sẽ có tất cả Q khả năng: N Q =  CN i (4.8) i Với giá trị N lớn (ví dụ với N=5 thì sẽ có 55 khả năng). Điều này sẽ không phù hợp với một ứng dụng truyền thông tin thời gian thực hoặc sẽ ảnh hưởng tới tốc độ truyền tin. Để lựa chọn phương án tốt nhất, luận án đề xuất thuật toán giải mã tối ưu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận được. Thuật toán giải mã được mô tả như lưu đồ dưới đây: Sai Đúng Sai Đúng Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán giải mã N khung tín hiệu Để áp dụng sơ đồ thuật toán trong Hình 4.6, cần ước lượng tỷ lệ lỗi ký tự khi giải mã tín hiệu thu. Để ước lượng tỷ lệ lỗi ký tự SER ta phải sử dụng thuật toán ước lượng kích thước các ngôi sao trong chòm sao tín hiệu M-QAM bằng cách tính kích thước vòng tròn có bán kính r (vòng trong màu đỏ trong hình 4.10) xung quanh mỗi điểm tín hiệu chuẩn trong chòm sao M-QAM. Với giá trị 19
r càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi tín hiệu SER sẽ càng bé. Hình 4.7. Độ hội tụ các điểm tín hiệu của chòm sao M-QAM Thuật toán sử dụng để tính toán kích thước trung bình các ngôi sao trong chòm sao tín hiệu X thu được từ quá trình giải mã các khung tín hiệu OFDM công thức (4.8) được thực hiện như sau: B1: Giải điều chế tín hiệu X thu được Xr B2: Tái điều chế tín hiệu Xr được tín hiệu Xq B3: Tính khoảng cách giữa hai tín hiệu X và Xq: d = mean X − X q Khoảng cách trung bình này càng nhỏ nghĩa là vòng tròn có bán kích r trên Hình 4.7 càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi SER của tín hiệu càng thấp. Trong sơ đồ thuật toán Hình 4.6 có thể được chia thành hai bước: + Bước 1: Khi nhận được N khung dữ liệu, trước tiên hệ thống sẽ ước lượng tỷ lệ SER của tất cả các khung tín hiệu dựa trên thuật toán ước lượng SER ở trên. Tiếp đó sẽ xắp xếp lại thứ tự các khung theo trình tự SER của các khung từ bé đến lớn. Đặt giá trị SER_min bằng SER của khung đầu tiên. + Bước 2: Kết hợp nhiều khung để giải mã theo phương pháp MRC. Gọi Ci là tập hợp các khung từ 1 đến i, Trước tiên cho i=2, như vậy tập đầu tiên C2 sẽ gồm hai khung số 1 và 2, giải mã MRC được áp dụng cho khung i khung liên tiếp. tỷ lệ lỗi SER_Ci sẽ được tính lại cho i khung. Nếu tỷ lệ lỗi này thấp hơn tỷ lệ lỗi của lần tính trước đó thì tiếp tục tăng i=i+1 được tăng tiếp cho khung tiếp theo. Còn nếu tỷ lệ SER lớn hơn so với SER_min thì quá trình sẽ dừng lại. 4.3. Thực nghiệm, mô phỏng hệ thống và kết quả: Luận án sẽ thực hiện bằng 2 cách mô phỏng và thực nghiệm. Trước tiên là thực hiện mô phỏng trong trường hợp điều chế 16-QAM. Tín hiệu nhận được là 10 khung (N=10). Các khung này có giá trị SNR giảm dần so với 20