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
