Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu hệ thống thông tin truyền thông dưới nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ
---------------o0o---------------

Báo Cáo Project
Nghiên cứu hệ thông tin truyền thông dưới nước

GVHD: GS.TS Lê Tiến Thường
SVTH:

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 04 NĂM 2018

1


LỜI NÓI ĐẦU
Trên thế giới hiện nay, truyền thông dưới nước đang ngày càng được nghiên cứu
sâu hơn để áp dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau trong thực tế, như trong
thăm dò tài nguyên biển, định vị dẫn đường trên biển, cho liên lạc quân sự trên

biển …. Trên thế giới là như vậy, còn tại Việt Nam chúng ta với đường bờ biển trải
dài vài nghìn ki lô mét, dù mục đích có là thăm dò tài nguyên biển, định vị dẫn
đường trên biển hay mục đích quân sự cũng đều rất đáng quan tâm. Khi nghiên
cứu, xem xét về các mô hình kênh truyền thông tin dưới nước, tuy có rất nhiều đặc
tính, thông số môi trường đặc thù, ảnh hưởng lên kênh truyền khác hẳn với môi
trường không gian tự do. Thế nhưng nhìn chung, từ những kiến thức về thông tin
vô tuyến rất đồ sộ và dựa vào đó ta có cơ để xác định phương pháp nghiên cứu, xác
định tiêu chí đánh giá, áp dụng vào phân tích các đặc tính kênh truyền dưới nước,
ta cũng có thể đưa ra được những mô hình kênh truyền phục vụ cho khảo sát,
nghiên cứu, tính toán để tiến gần hơn đến mô hình thực tế.
Để hoàn thành project này, nhóm xin gởi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lê Tiến
Thường, người đã truyền đạt kiến thức nền tảng về các hệ truyền thông, cũng chính
là người hỗ trợ định hướng, và giúp đỡ tận tình trong quá trình tìm hiểu.
Cảm ơn các tác giả cùng những bài viết liên quan.
Nhóm 6 xin chân thành cảm ơn.

2


TÓM TẮT PROJECT
Nghiên cứu hệ thống thông tin dưới nước bao gồm:
-

Các phương pháp truyền tín hiệu
Đặc trưng kênh truyền
Mã hoá (coding).

3


Contents

4


Giới thiệu

I.

Trong khi công nghệ truyền thông không dây ngày nay đã trở thành một phần trong
cuộc sống hàng ngày của chúng ta, ý tưởng về truyền thông không dây dưới biển
vẫn có vẻ xa vời. Tuy nhiên, hoạt động nghiên cứu đã diễn ra trong hơn một thập
kỷ về thiết kế các phương pháp truyền tải thông tin không dây dưới nước. Kiến
thức con người và sự hiểu biết về các đại dương của thế giới dựa vào khả năng thu
thập thông tin của chúng ta từ các địa điểm dưới biển sâu xa.
Rất khó để đạt được một liên kết truyền thông tốc độ dữ liệu cao dưới nước do các
hạn chế khác nhau như truyền tín hiệu điện từ kém dưới nước, suy giảm cao tín
hiệu âm thanh, thiếu các mô hình toán học chính xác của kênh âm thanh dưới nước.
các liên kết truyền thông dưới nước sẽ dễ bị tấn công bởi động vật thủy sinh. Ngoài
ra, các liên kết có dây này có vấn đề liên quan đến phân tán và tốc độ dữ liệu thấp
do áp lực lớn dưới nước.
Cùng với công nghệ cảm biến và công nghệ ô tô, truyền thông không dây sẽ cho
phép các ứng dụng mới khác nhau, từ giám sát môi trường đến thu thập dữ liệu hải
dương học, khảo cổ học, và các nhiệm vụ tìm kiếm và cứu nạn, Truyền thông khẩn
cấp từ một tàu - Wired Media, truyền thông di động từ tàu ngầm, AUV các trạm
khác bao gồm tàu, trạm trên cạn và các tàu ngầm khác - phương tiện âm thanh
không dây và nhiều hơn nữa.
Mục tiêu chính của project này là tìm hiểu về hệ thông tin dưới nước, các phương
pháp mã hóa từ đó thực hiện mô phỏng.
II.
Lý thuyết
A. Phương pháp truyền tin

Trong thế giới dưới nước, có 3 loại sóng mang được sử dụng phổ biến nhất trong
truyền thông không dây.
- Sóng điện từ: Sử dụng sóng điện từ, truyền thông có thể được thiết lập ở tần số
và băng thông cao hơn. Giới hạn là do sự hấp thụ / suy giảm cao có ảnh hưởng
đáng kể đến tín hiệu truyền. Ăng-ten lớn cũng cần thiết cho loại truyền thông này,
do đó ảnh hưởng đến độ phức tạp và chi phí thiết kế.
- Sóng quang: Sóng quang cũng cung cấp truyền dữ liệu tốc độ cao. Tuy nhiên, tín
hiệu được hấp thụ nhanh chóng trong nước và bị ảnh hưởng do tán xạ. Điều này sẽ
ảnh hưởng đến độ chính xác của truyền dữ liệu.
- Sóng âm: Âm thanh là tín hiệu được ưa thích nhất được sử dụng làm sóng mang
bởi nhiều ứng dụng, do đặc tính hấp thụ thấp của nó đối với truyền thông dưới
nước. Mặc dù việc truyền dữ liệu chậm hơn so với tín hiệu sóng mang khác, đặc
5


tính hấp thụ thấp cho phép sóng mang di chuyển ở phạm vi dài hơn do sóng mang
ít bị hấp thụ hơn.
Việc truyền tín hiệu dưới nước khá khó khăn. Bản thân nước đã trở thành nguồn
chính cho nhiễu tín hiệu. Loại nước (nước ngọt/ nước biển), áp suất sâu, tạp chất
hòa tan, thành phần nước và nhiệt độ ảnh hưởng đến sự lan truyền âm thanh. Các
hiện tượng mặt đất phổ biến như tán xạ, phản xạ, khúc xạ cũng xảy ra truyền thông
dưới nước.
Để việc truyền tín hiệu hiệu quả, thiết kế hệ thống truyền thông đóng một vai trò
khá quan trọng. Các yếu tố như thông số đầu dò (độ nhạy, điện năng tiêu thụ, khả
năng chống nhiễu, cơ chế truyền tải, độ dẫn điện, độ phân giải và trở kháng phù
hợp) phải được tính đến trong quá trình thiết kế. Một trong những lĩnh vực quan
trọng đáng chú ý là thiết kế bộ thu (cảm biến). Ngày nay, với sự tiến bộ trong công
nghệ điện tử, thiết kế bộ chuyển đổi (đặc biệt là máy thu) có thể áp dụng công nghệ
MEMS để khắc phục một số vấn đề cảm biến chứng minh có một số ưu điểm so
với phương pháp thông thường. Nó được tìm thấy có nhiều ưu điểm so với thiết kế
thông thường để có được thông tin liên lạc chính xác
1. Sử dụng sóng âm thanh
Âm thanh là tín hiệu được ưa thích nhất được sử dụng làm sóng mang bởi nhiều
ứng dụng và ít bị hấp thụ khi ở trong môi trường nước. Mặc dù việc truyền dữ liệu
chậm hơn so với tín hiệu sóng mang khác, đặc tính hấp thụ thấp cho phép sóng
mang di chuyển ở phạm vi dài hơn do sóng mang ít bị hấp thụ hơn.
Sự lan truyền âm thanh dưới nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Hướng truyền âm
được xác định bởi độ dốc tốc độ âm thanh trong nước. Đây là một điều quan trọng
xảy ra trong nước, vì tốc độ di chuyển âm thanh trong nước với vận tốc đều đặn.
Trên biển, các gradient theo chiều dọc thường lớn hơn nhiều so với các đường nằm
ngang. Kết hợp điều này với xu hướng tăng tốc độ âm thanh ở độ sâu ngày càng
tăng, do áp lực ngày càng tăng ở vùng biển sâu, làm đảo chiều tốc độ âm thanh
trong đường nhiệt, tạo ra ống dẫn sóng hiệu quả ở độ sâu, tương ứng với tốc độ âm
thanh tối thiểu. Đây có thể được tìm thấy bằng phương pháp dò tia.
Tại vĩ độ xích đạo và ôn đới trong đại dương, nhiệt độ bề mặt đủ cao để đảo ngược
hiệu ứng áp suất, sao cho tốc độ âm thanh tối thiểu xảy ra ở độ sâu vài trăm mét. Sự
hiện diện của mức tối thiểu này tạo ra một kênh đặc biệt được gọi là Kênh âm
thanh sâu, trước đây được gọi là kênh SOFAR (âm thanh cố định và khác nhau),
cho phép truyền dẫn có hướng dẫn âm thanh dưới nước hàng ngàn km mà không
tương tác với mặt biển hoặc đáy biển. Một hiện tượng khác trong vùng biển sâu là
sự hình thành các vùng tập trung âm thanh, được gọi là Khu hội tụ. Trong trường
hợp này, âm thanh bị khúc xạ xuống từ nguồn gần bề mặt và sau đó sao lưu lại.
Khoảng cách ngang từ nguồn mà tại đó điều này xảy ra phụ thuộc vào độ dốc âm
6


dương và âm. Một ống dẫn bề mặt cũng có thể xảy ra ở cả nước nông sâu và vừa
khi có khúc xạ hướng lên trên.
Sóng âm lan truyền dưới nước bao gồm nén xen kẽ và lượng nước hiếm. Các máy
nén này và máy thu nhỏ được phát hiện bởi một máy thu, chẳng hạn như tai người
hoặc điện thoại, khi thay đổi áp suất. Những sóng này có thể do con người tạo ra
hoặc được tạo ra một cách tự nhiên.
Âm học dưới nước đòi hỏi sự phát triển và sử dụng các phương pháp âm thanh để
hình ảnh các tính năng dưới nước, để truyền đạt thông tin thông qua các ống dẫn
sóng đại dương hoặc để đo tính chất đại dương. Theo nghĩa cơ bản nhất của nó, mô
hình hóa là một phương pháp để tổ chức kiến thức được tích lũy thông qua quan sát
hoặc suy ra từ các nguyên tắc cơ bản. Mô phỏng đề cập đến một phương pháp để
thực hiện một mô hình theo thời gian.
SONAR là từ viết tắt của Sound Navigation And Ranging. Công nghệ Sonar tương
tự như các công nghệ khác như: RADAR = Phát hiện Radio và Ranging, siêu âm,
thường được sử dụng với tần số cao hơn trong các ứng dụng y tế, địa chấn, thường
sử dụng tần số chậm hơn trong trầm tích. Kiến thức và hiểu biết về âm thanh dưới
nước không phải là mới. Leonardo Da Vinci phát hiện ra trong âm thanh 1490that
lan truyền tốt trong đại dương. Âm thanh là những nhiễu loạn áp lực truyền đi như
một làn sóng. Âm thanh cũng được gọi là sóng nén, sóng dọc và sóng cơ. Các dao
động âm thanh có thể được đặc trưng bởi các kỹ sư Sonar sau đây đã bắt đầu phát
triển mô hình âm thanh dưới nước để cải thiện thiết kế hệ thống sonar và đánh giá
nỗ lực chủ yếu trong hỗ trợ các hoạt động hải quân. Các mô hình này được sử dụng
để đào tạo các nhà khai thác sonar, đánh giá các yêu cầu về đội tàu, dự đoán hiệu
suất sonar và phát triển các chiến thuật mới. Bất chấp sự hạn chế của an ninh quân
sự, một nghiên cứu có liên quan được tích lũy trong các tài liệu mở, và phần lớn tài
liệu này đề cập đến sự phát triển và tinh chỉnh các mã số mô hình đại dương như
một phương tiện âm thanh. Tình trạng này kích thích sự hình thành của một kỷ luật
mới được gọi là âm học dương tính toán.
Nói chung, khi âm thanh lan truyền dưới nước có sự giảm cường độ âm thanh trên
phạm vi ngày càng tăng, mặc dù trong một số trường hợp, có thể đạt được độ lợi do
tập trung. Mất truyền dẫn là một thước đo định lượng về việc giảm cường độ âm
thanh giữa hai điểm, thông thường là nguồn âm và một bộ thu xa.
Điều chế đa hướng: Ý tưởng điều chế đa hướng là chia băng thông sẵn có thành
một số lượng lớn băng tần phụ chồng chéo. Nhiễu có thể bị bỏ qua trong mỗi băng
thông con, giúp đơn giản hóa sự phức tạp của sự cân bằng kênh.
Chính vì lợi thế này, điều chế đa hướng trong dạng ghép kênh phân chia tần số trực
giao (OFDM) đã chiếm ưu thế trong các ứng dụng vô tuyến băng rộng không dây
gần đây.
7


Các kỹ thuật đa đầu vào: Một hệ thống không dây sử dụng nhiều bộ phát và nhiều
bộ thu được gọi là hệ thống đa đầu ra nhiều đầu vào (MIMO) Do đó, điều chế
MIMO là một công nghệ hứa hẹn để cung cấp một tiến bộ cơ bản khác về dữ liệu
cao tỷ lệ truyền thông âm thanh dưới nước. MIMO đã được áp dụng trong cả truyền
tải đơn sóng mang và truyền dẫn đa hướng.
2. Sử dụng sóng quang học
Công nghệ hiện đại của truyền thông âm thanh dưới nước là một công nghệ cung
cấp truyền dữ liệu tốc độ thấp cho truyền thông tầm trung. Tốc độ truyền dữ liệu
âm thanh được giới hạn ở khoảng hàng chục nghìn kilobits trên giây với phạm vi
kilomét, và nhỏ hơn một nghìn kilobit trên giây cho phạm vi lên tới 100km, do sự
suy giảm nghiêm trọng, phụ thuộc vào tần số và xung do bề mặt gây ra lan tràn.
Ngoài ra, tốc độ sóng âm trong đại dương xấp xỉ 1500m/s, do đó truyền thông tầm
xa liên quan đến độ trễ cao, điều này đặt ra một vấn đề cho các phản ứng thời gian
thực, đồng bộ hóa và các giao thức đa truy cập. Ngoài ra, sóng âm thanh có thể làm
ảnh hưởng đến động vật có vú ở biển như cá heo và cá voi. Kết quả là, công nghệ
âm thanh không thể đáp ứng các ứng dụng đang nổi lên đòi hỏi xung quanh các
mạng truyền thông tốc độ dữ liệu cao trong thời gian thực. Ví dụ về các ứng dụng
như vậy là các mạng cảm biến để điều tra biến đổi khí hậu; giám sát các quá trình
sinh học, sinh học, tiến hóa và sinh thái trong môi trường biển, đại dương và hồ; và
các phương tiện dưới nước không người lái được sử dụng để kiểm soát và duy trì
các cơ sở sản xuất dầu và bến cảng.
Một phương tiện thay thế cho truyền thông dưới nước dựa trên quang học, trong đó
tốc độ dữ liệu cao là có thể. Tuy nhiên, khoảng cách giữa máy phát và máy thu phải
ngắn, do môi trường dưới nước rất khó khăn, được đặc trưng bởi sự tán xạ và hấp
thụ đa năng cao. Sự tán xạ gây ra xung quang học để mở rộng trong các miền
không gian, thời gian, góc cạnh và phân cực.
Tín hiệu quang học bị phân tán nặng dưới nước, và sự hấp thụ cũng cao. Bên cạnh
đó, việc truyền sóng quang đòi hỏi độ chính xác cao trong việc chỉ các chùm laser
hẹp. Trong nước rất sạch, ví dụ, bước sóng biển sâu, xanh-xanh có thể được sử
dụng cho kết nối tầm ngắn. Ưu điểm của tín hiệu quang học nằm ở tốc độ dữ liệu
cao tới 100 m. Cho đến hôm nay, giải pháp thực tế duy nhất cho truyền thông dưới
nước với phạm vi chấp nhận được là sử dụng tín hiệu âm thanh, đi dưới nước với
khoảng cách dài hơn, ít suy giảm và độ tin cậy cao hơn. Tuy nhiên, băng thông có
sẵn rất hạn chế đối với tín hiệu âm thanh. Đối với một khoảng cách rất dài theo thứ
tự 1000 km, băng thông có sẵn giảm xuống dưới một kHz; trong khi chỉ ở phạm vi
rất ngắn dưới 100 m, có thể có hơn một trăm kHz băng thông. Thiếu băng thông có
sẵn là vấn đề lớn nhất đối với truyền thông / mạng âm thanh dưới nước. Tỷ lệ lỗi

8


bit cao là phổ biến trong các kênh dưới nước, do sự can thiệp đa đường và bản chất
thay đổi theo thời gian của các kênh âm thanh dưới nước.
Như đã chỉ ra chất lượng nước đóng một vai trò quan trọng trong việc quyết định
liệu sóng quang có thể được sử dụng cho truyền thông dưới nước hay không. Kết
quả là, khả năng ứng dụng của truyền thông quang học phụ thuộc nhiều vào môi
trường. Sử dụng cùng một sự tương tự cho sóng âm và sóng điện từ, chúng ta nói
rằng truyền thông quang học hoạt động trong vùng giới hạn môi trường. Cho đến
nay, không có nhiều hoạt động thương mại về truyền thông quang học dưới nước,
và không có modem quang thương mại nào có sẵn đặc biệt cho dưới nước. Những
lợi ích gần đây trong các mạng cảm biến dưới nước và các đài quan sát đáy biển đã
kích thích rất nhiều sự quan tâm đến truyền thông quang học tầm ngắn trong nước.
3. Cách giảm nhiễu
Truyền thông tin dưới nước là một kỹ thuật truyền thông gửi và nhận tin nhắn dưới
nước. Có một số cách sử dụng truyền thông như vậy nhưng phổ biến nhất là bằng
cách sử dụng hydro. Truyền thông dưới nước khó khăn do các yếu tố như truyền đa
đường, các biến thiên thời gian của kênh, băng thông nhỏ và suy giảm tín hiệu
mạnh, đặc biệt là trên các dải dài. So với truyền thông mặt đất, truyền thông dưới
nước có tốc độ dữ liệu thấp vì nó sử dụng sóng âm thay vì sóng điện từ.
Vào đầu thế kỷ 20, một số tàu được truyền thông bằng chuông dưới nước, hệ thống
đang cạnh tranh với dịch vụ điều hướng vô tuyến hàng hải nguyên thủy của thời
đại. Sau đó dao động Fessenden cho phép truyền thông với tàu ngầm.
Các kênh âm thanh dưới nước thường được công nhận là một trong những phương
tiện thông tin liên lạc khó sử dụng nhất hiện nay. Truyền âm thanh được hỗ trợ tốt
nhất ở tần số thấp và băng thông có sẵn để truyền thông rất hạn chế. Ví dụ, một hệ
thống âm thanh có thể hoạt động trong dải tần số từ 10 đến 15 kHz. Mặc dù tổng
băng thông truyền thông rất thấp (5 kHz), nhưng hệ thống này thực tế là siêu băng
rộng, theo nghĩa là băng thông không phải là không đáng kể đối với tần số trung
tâm. Âm thanh lan truyền dưới nước ở tốc độ rất thấp 1500 m / s và sự lan truyền
xảy ra trên nhiều đường dẫn. Độ trễ lan truyền trên hàng chục hoặc thậm chí hàng
trăm mili giây dẫn đến biến dạng tín hiệu chọn lọc tần số, trong khi chuyển động
tạo ra hiệu ứng Doppler cực đoan. Các đặc tính tồi tệ nhất của các kênh vô tuyến chất lượng liên kết vật lý kém của kênh radio trên mặt đất di động và độ trễ cao của
kênh vệ tinh - được kết hợp trong kênh âm thanh dưới nước.
Được xác định rộng rãi, mô hình hóa là một phương pháp để tổ chức kiến thức tích
lũy thông qua quan sát hoặc suy ra từ các nguyên tắc cơ bản trong khi mô phỏng đề
cập đến một phương pháp để thực hiện mô hình theo thời gian. Lĩnh vực mô phỏng
và mô phỏng âm thanh dưới nước chuyển sự hiểu biết vật lý của chúng ta về âm

9


thanh trong biển thành các mô hình toán học có thể mô phỏng hiệu suất của các hệ
thống âm thanh phức tạp hoạt động trong môi trường dưới biển
B. Đặc trưng kênh truyền
Giống như truyền thông trên mặt đất, kênh truyền thông dưới nước có thể được coi
là kênh chọn lọc tần số thời gian, kênh không gian tương quan với nhiễu Gauss.
Nó được đặc trưng bởi sự phụ thuộc tần số và phụ thuộc vào độ hấp thụ, kết hợp
với hiện tượng đa đường dẫn đến fading. Một vài đặc điểm của kênh truyền âm
dưới nước được mô tả sau đây:
1) Dịch doppler

Một chuyển động tương đối của người nhận và máy phát hoặc phương tiện di
chuyển có thể thay đổi tần số của sóng âm lan truyền qua kênh. Sự thay đổi rõ
ràng về tần số sóng mang của tín hiệu và miền thời gian được gọi là sự dịch
chuyển Doppler.
2) Đa đường

Trong âm học dưới nước, hiệu ứng đa đường chủ yếu là do phản xạ từ đáy biển và
bề mặt. Số lần phản xạ xác định sự đa dạng của lan truyền. Ngoài ra, kênh bao
gồm các phản xạ thể tích như sinh vật phù du và cá. Đối với phạm vi đủ lớn giữa
bộ phát và bộ thu, tín hiệu truyền đi truyền tới người nhận qua các đường dẫn khác
nhau. Độ trễ được kết hợp với mỗi đường dẫn phụ thuộc vào hình dạng của nó.
Các tín hiệu, trong khi truyền, trải qua các phản xạ liên tiếp tại các giao diện. Các
biến thể trong tốc độ âm thanh trong môi trường cũng làm biến dạng đường đi của
sóng âm. Vì thế, một tín hiệu đã cho có thể truyền từ nguồn tới máy thu theo một
số đường dẫn riêng biệt tương ứng với các hướng và khoảng thời gian khác nhau.
Các tín hiệu trực tiếp chính đến cùng với một loạt các tiếng vọng, biên độ giảm
với số lượng phản xạ trải qua. Quá trình tín hiệu lấy nhiều đường dẫn khác nhau
để tới người nhận do kết quả của phản xạ được gọi là đa thức. Ở các tần số cao,
đối với các tín hiệu ngắn, hiệu ứng đa đường có thể quan sát được trong miền thời
gian, với các chuỗi điển hình của nhiều âm vang. Trong khi tín hiệu ổn định tần số
10


thấp, các đóng góp cộng lại vĩnh viễn; điều này tạo ra một mẫu giao thoa ổn định,
với các biến thiên mạnh trong biên độ trường.
3) Trải doppler

Trải doppler, thể hiện độ rộng phổ của tín hiệu nhận được. Trong vùng nước
nông, các phản xạ từ mặt nước là nguyên nhân chính cho sự chênh lệch thời gian
của kênh. Giá trị của sự lây lan Doppler phụ thuộc vào chiều cao và tần số sóng,
tốc độ gió, số phản xạ từ mặt biển và sàn, và góc chuẩn.
4) Hàm trải trễ và trải Doppler

Lý thuyết về kênh tuyến tính biến thiên thời gian ngẫu nhiên được phát triển bởi
Bello trong bài báo của ông năm 1963; ông đã đưa ra một đặc tính thống kê đầy đủ
của kênh dựa trên các chức năng của hệ thống và các chức năng tương quan của
chúng. Ông đã sử dụng khái niệm về thiết bị truyền thông bao gồm đầu vào và đầu
ra đầu ra; nơi tín hiệu được áp dụng tại đầu vào có thể được mô tả trong miền thời
gian hoặc tần số và tương tự, tín hiệu đầu ra sắp ra khỏi thiết bị có thể được mô tả
trong miền thời gian hoặc tần số. Biểu thị x (t) và X (f) như hàm thời gian đầu vào
và phổ, và hàm thời gian và phổ tương ứng như y (t) và Y (f), và sử dụng cách tiếp
cận của nó và xem xét kênh âm thanh dưới dạng tuyến tính bộ lọc biến thể thời
gian (LTV), chúng ta có thể thiết lập một mối quan hệ toán học giữa tín hiệu đầu
vào và tín hiệu đầu ra. Vì mô hình kênh âm thanh dưới nước được thảo luận liên
quan đến cả sự chậm trễ và sự dịch chuyển Doppler, có tồn tại tổng cộng bốn biểu
thức cho tín hiệu đầu ra; hai cho hàm thời gian và hai cho phổ tần số. Điều này là
do kênh sẽ xử lý các tín hiệu khác nhau tùy thuộc vào việc hoạt động trễ hay hoạt
động Doppler-shift được áp dụng ở đầu vào hoặc đầu ra của kênh.
5) Trải trễ-doppler và trải Doppler-trễ

Bello đã chứng minh rằng bất kỳ kênh biến đổi thời gian lót nào cũng có thể được
biểu diễn như là một phần tử liên tục đồng thời cung cấp cả độ trễ tương ứng và sự
dịch chuyển Doppler. Trong công việc của mình, ông đã phân loại đáp ứng xung
11


kênh theo liệu hoạt động trễ hoặc hoạt động dịch chuyển Doppler trên kênh có ở
đầu vào hay đầu ra. Do sự tồn tại của hai hoạt động trong mô hình kênh, chỉ có hai
khả năng được xem xét: đầu ra-đầu ra trễ-dịch doppler và đầu ra-dịch doppler đầu
ra-delay
6) Các hàm tương quan

Với kênh được mô hình hóa dưới dạng kênh chuyển đổi đầu ra-đầu ra-Doppler. Do
đó, tất cả các biểu thức toán học liên quan đến đáp ứng xung kênh thu được dưới
dạng hàm truyền trễ đầu vào h (t, τ) hoặc tương đương, biến đổi Fourier nghịch
đảo của nó, hàm truyền Doppler đầu vào U (τ, ρ). Sau này được gọi là chức năng
lan truyền. Các đặc tính của một kênh đa kênh có thể được xác định thông qua một
số hàm tương quan hữu ích và các hàm mật độ phổ công suất. Nếu kênh là thời
gian ngẫu nhiên, các phản hồi của kênh được thảo luận trong hai phần cuối trở
thành các quá trình ngẫu nhiên và đặc tính thực tế của kênh thu được theo các hàm
tương quan. Theo thống kê, các số liệu thống kê mờ dần của nhiều kênh vật lý,
bao gồm các kênh âm thanh dưới nước có khoảng thời gian cố định đủ dài để làm
cho nó có ý nghĩa để xác định phân lớp của các kênh được gọi là Kênh tán xạ tĩnh
không tương quan
7) Các hàm ước lượng và tham số tương quan kênh

Đặc trưng này phù hợp hơn để có một biểu diễn rời rạc cho tín hiệu đầu ra của
kênh truyền thông dưới nước.
C. Các phương pháp mã hoá kênh

Mục đích của lý thuyết Mã hóa trên kênh truyền (channel encoding theory) là tìm
những mã có thể truyền thông nhanh chóng, chứa đựng nhiều mã ký (code word)
hợp lệ và có thể sửa lỗi (error correction) hoặc ít nhất phát hiện các lỗi xảy ra
(error detection). Các mục đích trên không phụ thuộc vào nhau, và mỗi loại mã có
công dụng tối ưu cho một ứng dụng riêng biệt. Mỗi mã thường chỉ thích hợp cho
một ứng dụng nhất định.

12


Để có thể cải thiện được chất lượng đường truyền sóng âm, mã hoá kênh có thể
sửa lỗi và cải thiện BER. Mục đích là để giảm BER từ 10-2 xuống còn 10-4. Những
kỹ thuật có thể áp dụng để cải thiện BER đó là:
-

Mã tích chập (Convolutional codes)
Mã vòng sửa lỗi tuyến tính Reed-Solomon (RS)
Mã turbo khối Reed Solomon (RS-BTC)
Mã LDPC
1. Mã tích chập (CC)
Mã chập (Convolution Codes)

là một kỹ thuật mã hóa sửa sai (FEC).

Convolutinon Codes thuộc họ mã lưới (mã hóa theo Trellis) và được xây dựng dựa
trên một đa thức sinh hoặc một sơ đồ chuyển trạng thái (trellis mã) đặc trưng. Quá
trình giải mã của mã chập phải dựa vào trellis mã thông qua các giải thuật khác
nhau, trong đó nổi tiếng nhất là giải thuật Viterbi.
Ký hiêu mã chập (n,k,L) : k là đầu vào
n là đầu ra
L phần tử nhớ trong thanh ghi dịch

Hình 1: Sự bố trí bộ lập mã/giãi mã chập và bộ điều chế / giãi điều chế của một
tuyến thông tin
1.1. Tạo mã chập

Để tạo ra mã chập, ta dùng bộ lập mã chập có nguyên tắc hoạt động dựa vào việc
“chập” dòng bit thông tin đầu vào với đáp ứng xung của bộ tạo mã. Do đó, một
13


dãy thông tin nhị phân u được chia thành kí tự d k=(dk(0),…..,dk(k-1)). Các kí tự này
được ánh xạ thông qua bộ tạo mã gồm n bit. Hai tham số quan trọng của một từ
mã chập là tốc độ mã R = k/n và độ dài ràng buộc Kc = M+1 với M là số lượng
các thanh ghi dịch có trong bộ mã (độ dài ràng buộc là thời gian trải rộng của các
bit mà mỗi bít đầu vào ảnh hưởng lên). Hình 2 mô tả một bộ giải mã có tốc độ là
½, độ dài ràng buộc Kc = 3.

Hình 2. Sơ đồ khối và sơ đồ chuyển trạng thái của bộ tạo mã chập
Hình 2 cũng chỉ ra sơ đồ chuyển trạng thái tương ứng với các thanh ghi dịch phía
bên trái.Với các mã chập, việc mô tả bộ tạo mã bằng sơ đồ trạng thái sẽ thuận lợi
hơn. Nếu bộ lập mã có M thanh ghi dịch thì sẽ có 2 M trạng thái S(m) với m = 0,
…,2M-1. Mỗi trạng thái được biểu diễn bởi một nút và sử chuyển đổi các trạng thái
được biểu diễn bằng các mũi tên. Trên các mũi tên mô tả bit đầu vào d k tương ứng
với các kí tự đầu ra xk được viết là dk/xk(0)x(1)k.
Biểu đồ mắt cáo (trellis diagram) trong hình 3 mô tả sự chuyển đổi các trạng thái
theo thời gian. Với mỗi đầu vào d k, biểu đồ mắt cáo sẽ có tất cả các khả năng dịch
chuyển trạng thái có thể xảy ra.

14


Hình 3. Biểu đồ mắt cáo thể hiện quá trình chuyển trạng thái theo thời gian
Giả sử trạng thái ban đầu của bộ tạo mã là trạng thái S (0). Biểu đồ mắt cáo có thể
được chia thành 3 pha: Với một bản tin có chiều dài là L, sau pha khởi tạo của M
bit được mã hóa dk, sẽ có L – M segment giống hệ nhau. Sau khi bản tin có chiều
dài L được mã hóa hết, thì bộ tạo mã sẽ chuyển về trạng thái ban đầu bằng cách
thêm vào M kí tự. Do đó, chiều dài của từ mã được tăng lên L T = L + M. Kĩ thuật
thêm M kí tự này sẽ làm cải thiện khả năng bị lỗi tại điểm cuối của bản tin được
mã hóa.
1.2. Giải mã chập

Có nhiều phương pháp giải mã chập. Tuy nhiên, trong project này, chúng ta sẽ đề
cập đến thuật toán giải mã chập Viterbi. Lý thuyết chung của thuật toán này là
nhằm tìm ra đường ngắn nhất có trong biểu đồ mắt cáo , đường dẫn đến một trạng
thái S(k) phải là đường ngắn nhất có thể. Thuật toán này có thể được chia thành hai
bước: 1) tính toán giá nhánh (branch metric), giá đường (path metric) và các bit
quyết định. 2) traceback. Trong pha 1, sự sai khác giữa kí tự nhận y k và tất cả các
kí tự khác mà có khả năng nhận được được tính toán. Trong trường hợp hard
decision mà các kí tự chỉ là bit 0 hoặc 1, thì khoảng cách Hamming đươc sử dụng
để tính brach metric. Khoảng cách Hamming sẽ tính số bit sai khác trong kí tự
nhận được với số bit trong các kí tự có khả năng nhận được. Trong ví dụ ở phần 1,
khoảng cách Hamming có thể là 0, 1, 2. Kết quả sẽ được lưu trong path metric.Với
mỗi bước k, khoảng cách Hamming cho mỗi trạng thái S k được tính toán và được
15


cộng vào path metric của các trạng thái trước đó (k-1). Trong pha thứ 2, thuật toán
Viterbi sẽ dò ngược lại để xác định ra chuỗi kí tự gần nhất. Trạng thái ban đầu
trong pha dò ngược là trạng thái có path metric thấp nhất.
2. Mã Hamming

-

-

Đối với mã (n, k) Hamming, 'k' là số bit đầu vào và 'n' là số bit đầu ra. Nó thuộc về
các mã khối mà là mã sửa lỗi cũ được phát triển. Trong report này, ta chọn k = 4
và n = 7 để thực hiện mã Hamming(7,4) bằng cách thêm 3 bit chẵn lẻ.
Thuật toán:
Ma trận G = (Ik | -AT) được gọi là ma trận sinh của mã tuyến tính (n, k)
Và H = (A I In-k) được gọi là ma trận kiểm
Để xây dựng ma trận sinh và ma trận kiểm tra H chẵn lẻ, ta tuân thủ theo các quy
tắc sau: HGT = O. H là ma trận có 'n-tuples' không ở phía bên trái, trong đó, thứ tự
của ma trận 'n-tuples' không phải là một vấn đề. (n - k) ma trận nhận dạng là bên
phải của nó
Bằng cách lấy transpose của bên trái của ma trận H, G có thể thu được.
Ma trận bộ tạo mã G và ma trận kiểm tra chẵn lẻ H là:

Để tăng hiệu suất của một hệ thống truyền thông, khi tăng công suất máy phát là
không thực tế, các mã khối được sử dụng [8]. Mã Hamming kết hợp thông tin liên
lạc đa đường, hiệu quả giải mã cao và độ tin cậy [9]. Cách tiếp cận là sửa lỗi tại
phía thu (M-FEC) của mã Hamming cải thiện hiệu năng mã và hiệu quả về mặt
năng lượng. Việc triển khai mã hamming với bộ truyền và nhận OFDM được hiển
thị trong hình sau:

16


Hình 4:Áp dụng mã Hamming trong mạch phát và thu kênh truyền UWA
Sau khi áp dụng mã hamming, BER được tính toán và được cải thiện so với trường
hợp trước đó chỉ sử dụng OFDM mà không mã hóa
3. Mã LDPC

Hình 5: Mã LDPC
Mã kiểm tra tính chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) là mã sửa lỗi tuyến tính (FEC). Mã
LDPC là mã khối có ma trận kiểm tra chẵn lẻ chỉ chứa một vài thành phần non-zero.
Mã LDPC cũng là một loại mã khối tuyến tính giống như mã hamming. Nó được sử
dụng để giảm lỗi và đạt được hiệu suất truyền thuyết phục của tín hiệu số dưới nước.
Ở đây trong bài báo [1], một mã LDPC thông thường (3, 6) với tốc độ 1/2 được sử
dụng. Ma trận kiểm tra H có kích thước 128x256 được xây dựng bằng cách sử dụng
phương pháp xây dựng ngẫu nhiên [2].
Kênh truyền dưới nước (UWC) với việc xây dựng mã LDPC trong Hình 5. Dữ liệu
được truyền đi là LDPC được mã hóa và gửi đến bộ phát OFDM. Dữ liệu được giải
mã tại máy thu bằng bộ giải mã LDPC.

17


Hình 6: So sánh hiệu năng của mã LDPC, Hamming và không mã hoá kênh với
điều chế OFDM [1]
4. Mô phỏng với MATLAB

Sơ đồ khối đã được mô hình hóa cho hệ thống IDMA-OFDM thích hợp cho hệ thống
thông tin dưới nước, bao gồm khối mã hóa kênh Hamming, mã hóa chuỗi bit đầu vào
sau đó khối Random Inteleaver sẽ thực hiện thuật toán đan xen vào chuỗi bit đã mã
hoá. 64-QAM chữ nhật được sử dụng làm kỹ thuật điều chế để thực hiện phép IFFT
sau đó truyền tín hiệu đã điều chế qua kênh truyền nhiễu trắng (Gaussian). Nhiễu có
thể có hai loại - một là nhiễu do con người tạo ra (nhiễu chủ quan) và nhiễu của các hệ
thống khác là can nhiễu. Nhiễu do con người tạo ra chiếm ưu thế trong các nhiễu khác
gần mặt biển và xung quanh bờ biển, trong khi can nhiễu xung quanh chiếm ưu thế ở
mực nước biển sâu. Các nguồn nhiễu xung quanh có thể được mô tả là có phổ liên tục
và số liệu thống kê Gaussian 10 (SNR=10). Do đó, ta có thể coi AWGN là kênh
truyền có nhiễu cho kênh truyền dưới nước
Ở phía thu, phép FFT được thực hiện trên tín hiệu nhận được để chuyển đổi tín hiệu
miền thời gian thành miền tần số. Các hoạt động giải điều chế được thực hiện bằng
cách sử dụng bộ giải điều chế 64-QAM khi nhận được tín hiệu FFT thành các giá trị
số nguyên. và sau đó bộ giải mã Hamming để nhận luồng bit ban đầu. Sơ đồ khối của
OFDM-IDMA được hiển thị bên dưới như Hình 1.
Mô hình mô phỏng được thực hiện phù hợp với sơ đồ khối được mô phỏng trong
Hình 8 với sự trợ giúp của Simulink MATLAB, một công cụ đồ họa được sử dụng để
lập mô hình hệ thống truyền thông đa ngành với các thư viện khối tùy chỉnh. Nó có
tính năng phân tích luồng dữ liệu và thời gian ghi kết quả mô phỏng. Thiết kế mô hình
Simulink IDMA-OFDM được thể hiện trong Hình 8. Luồng dữ liệu đầu vào được tạo
ngẫu nhiên bởi BBG, luồng bit này được mã hóa với kích thước (7, 4). Mã này được
hoán chuyển đan xen ngẫu nhiên với một seed xác định. Interleaving là để đan xen
chuỗi như vậy chỉ người dùng dự định có thể deinterleave nó. Khối điều chế 64-QAM

18


được sử dụng với ánh xạ bit do người dùng xác định. Hình 7 cho thấy ánh xạ chòm
sao cho ánh xạ bit do người dùng định nghĩa của bộ điều biến 64-QAM.

Hình 7:Giản đồ chòm sao bit-mapping 64-QAM
Hoạt động IFFT được thực hiện trên QAM và tín hiệu được truyền qua mô hình
AWGN như được mô tả trong mô hình Simulink. Nhiễu kết hợp biến dạng trong tín
hiệu truyền, do đó gây ra các quyết định không chính xác ở phía máy thu, dẫn đến lỗi
bit.

Hình 8: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền thông tin dưới nước

19


Kết quả chạy mô phỏng BER thu được là 0.05 so với BER 0.1 khi chỉ sử dụng điều
chế IDMA – OFDM (SNR = 10dB)
III.

Kết luận

Như vậy, qua bài báo cáo này chúng ta đã tìm hiểu được các ứng dụng trong việc
truyền thông dưới nước, đặc điểm của kênh truyền không dây dưới nước, và một số
phương pháp truyền (bằng sóng âm, sóng điện từ,…). Tiếp theo, chúng ta nghiên cứu
một số phương pháp mã hoá kênh thông dụng cho hệ truyền thông dưới nước. Cuối
cùng là mô phỏng lại một mô hình truyền thông dưới nước từ sau khối mã hoá nguồn.
Bài mô phỏng này sử dụng điều chế IDMA – OFDM và mã Hamming làm mã hoá
kênh.
IV.

[1]

Tham khảo
B.Pranitha,

Dr.L.Anjaneyulu,

“Performance

Evaluation

of

Underwater

Communication System using Block Codes”, Published in IEEE in the year 2016
[2] Yuxiang Li, Guolong lian, GuangpuZha, Jin Fu, "The Application of LDPC Code
in Underwater Acoustic Wireless Communications", Published in IEEE in the year
2009

20



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×