Nâng cao tốc độ truyền tin trong một kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam dùng điều chế OFDM

Bài báo giới thiệu về truyền tin quy mô nhỏ trong một kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam, với độ sâu dưới 50 m, cự ly 1km. Độ phân tán thời gian (độ trải trễ) tối đa trong kênh giả thiết là 10 ms, độ phân tán tần số tối đa (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 tần số trực giao (OFDM) với tần số sóng mang 9KHz được đưa ra. Mời các bạn cùng tham khảo!

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

một kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ của Việt Nam, với

độ sâu dưới 50 m, cự ly 1km Độ phân tán thời gian (độ trải trễ)

tối đa trong kênh giả thiết là 10 ms, độ phân tán tần số tối đa

(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

tần số trực giao (OFDM) với tần số sóng mang 9KHz được đưa

ra Các kết quả đã chứng minh tính hiệu quả của sử dụng điều

chế OFDM trong loại hình kênh này, tốc độ truyền tin có thể đạt

được tới 13Kbps

Keywords- Kênh nước biển nông, OFDM, độ trải trễ, dịch tần

Doppler, SONAR(định vị và đo xa dùng sóng âm)

I GIỚITHIỆU Như chúng ta đã biết Việt Nam là một quốc gia biển, biển

của ta là một phần của biển Đông Theo Công ước Luật Biển

năm 1982 [1], vùng đặc quyền kinh tế mở rộng tới khoảng cách

tối đa 200 hải lý (1 hải lý = 1.852 m) tính từ đường cơ sở

Nước CHXHCN Việt Nam có chủ quyền hoàn toàn về thăm

dò, khai thác, bảo vệ và quản lý tất cả các tài nguyên thiên

nhiên, sinh vật và không sinh vật ở vùng nước, ở đáy biển và

trong lòng đất dước đáy biển của vùng đặc quyền về kinh tế

của Việt Nam Hiện nay sự quan tâm nghiên cứu về biển và

đảo đang có tính thời sự, có ý nghĩa kinh tế, xã hội và an ninh

quốc phòng Trong đó nghiên cứu về truyền tin dưới nước

đóng một vai trò quan trọng

Đặc điểm của truyền tin dưới nước cho một loại kênh phức

tạp, chịu phân tán cả về tần số và thời gian nặng [2] Các

nghiên cứu gần đây về sử dụng điều chế khóa dời tần số (FSK)

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

OFDM cho phép truyền song song các sóng con nên tốc độ

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

quy mô nhỏ từ Fading lựa chọn tần số thành Fading phẳng

Dùng tiền tố vòng (CP) làm cho hệ thống có khả năng kháng

Fading cao hơn, thay vì mất toàn bộ thông tin thì chỉ có một số

bit bị ảnh hưởng [4] Các bộ biến đổi biến đổi Fourier nhanh

thuận/ ngược (FFT, IFFT) cho phép thực thi hệ thống OFDM

bằng phần mềm là chính Chính vì tất cả các ưu điểm trên dẫn đến xem xét sử dụng điều chế OFDM cho kênh thủy âm Các nghiên cứu theo hướng này trên thế giới có thể kể đến như [5-8]

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần

II, chúng tôi miêu tả thềm lục địa vịnh Bắc Bộ Phần III, mô hình kênh nước biển nông được giới thiệu Thiết kế hệ thống cho ở Phần IV Phần V là các kết quả mô phỏng Cuối cùng là kết luận bài báo

II THỀMLỤCĐỊAVỊNHBẮCBỘ 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 Thềm lục địa ở đây dạng một lòng chảo chạy ép sát về phía đảo Hải Nam và có sườn máng dốc hơn về phía Việt Nam Độ sâu trung tâm vịnh đạt tới 70-80 m, vùng cửa vịnh khoảng 100m và ở rìa thềm lục địa khoảng 200 m

Hầu hết diện tích thềm lục địa có góc dốc 2’-5’ Mức độ chia cắt sâu nhỏ Chiếm ưu thế ở đây là các dạng địa hình âm dạng máng trũng đan nhau kiểu phân nhánh Chúng có hướng dốc về phía vịnh Bắc Bộ và là dấu vết của thung lũng cổ Nơi gặp nhau của các máng này là các hố trũng, đôi khi sâu đến

108 m như đã phát hiện ở phía ngoài khơi đảo Cồn Cỏ 120 km

về phía Đông Bắc Các dạng địa hình dương thường là các mỏm đá ngầm, các vết lộ của các cồn đá cổ còn sót lại, chúng phân bố ven bờ và quanh các đảo như Bạch Long Vĩ.,

Trong bài báo này chúng tôi chỉ mới khảo sát địa hình vịnh Bắc Bộ, tuy nhiên nước ta còn có 03 vùng biển khác là Trung

Bộ, Đông Nam Bộ và Tây Nam

III MÔHÌNHKÊNHNƯỚCBIỂNNÔNG

A Mô hình kênh nước biển nông

Ta biết rằng vận tốc sóng âm trong nước biển thay đổi theo

độ sâu, phụ thuộc vào nhiệt độ, khí quyển, áp suất và độ mặn của nước biển Tại các kênh nước sâu khi có các lớp đảo nhiệt

độ thì vận tốc âm cũng biến đổi tạo nên các hiện tượng khúc

xạ dương (tia sóng bị bẻ cong lên trên) hay khúc xạ âm (tia sóng bị bẻ cong xuống dưới)

Tuy nhiên trong kênh nước biển nông thì tốc độ âm có thể

coi là hằng số Chính vì vậy hiện tượng chính chi phối các

kênh nước nông là phản xạ âm tại bề mặt, đáy biển và vật thể

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

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

Do sử dụng sóng âm là phương tiện mang nên dải tần sẽ

rất hẹp, thông thường khoảng 5KHz Trước đây Mỹ dùng các

thiết bị SONAR dải siêu âm, tuy nhiên xu thế hiện nay họ

chuyển sang dung các thiết bị âm tần với dải tần 0-20KHz

[10]

A2 Trải trễ đa đường

Ở phía thu ngoài đường trực tiếp còn nhận các đường phản

xạ từ hai biên (mặt và đáy biển) tạo ra hiện tượng đa đường

Chặt chẽ mà nói thì có vô số đường, nhưng chúng chịu phản

xạ nhiều lần và mất hết năng lượng nên bị bỏ qua, chỉ còn lại

một số hữu hạn các đường chính

Giả thiết cự ly truyền giữa Tx (phát) và Rx (thu) là lp Đường

khỏe nhất truyền trực tiếp qua đoạn lp mất thời gian 0 lp

t c

với c là vận tốc âm Các đường phản xạ đến Rx sẽ trễ một giá

trị thời gian i l ti 0

c

   so với đường tham chiếu trực tiếp Độ

phân tán thời gian tối đa (độ trải trễ tối đa) xét ở đây là 10 ms,

là một giá trị thường được quan sát trong kênh thủy âm [2]

Vì mục tiêu của bài báo là nghiên cứu truyền tin quy mô

nhỏ nên đối tượng quan sát là đáp ứng xung của kênh thủy âm

Nếu gọi hi là độ lợi của đường thứ i thì đáp ứng xung đơn

giản của kênh thủy âm có thể biểu diễn là

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

trong [2] mô tả đáp ứng xung kênh thủy âm với các tham số

5,10,15

f  KHz và dải thông 5KHz Đáp ứng xung này

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

0 0.5 1 1.5

Do tre(don vi=10ms)

Kenh thuy am voi f=5,10,15KHz, bang thong 5KHz

Hình 2 Đáp ứng xung của kênh thủy âm với f=5,10,15 KHz, băng

thông 5KHz (tài liệu [2])

A3 Dịch tần Doppler

Do có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu trong kênh thủy âm nên xảy ra hiện tượng dịch tần Doppler Chính vì thế ta luôn phải tính toán đến các dạng méo gây ra do loại chuyển động này trong các thiết kế, đặc biệt trong các thuật toán đồng bộ Biên độ của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với hệ

số a v c

 , trong đó v là vận tốc tương đối giữa Tx và Rx, c là

vận tốc sóng âm

Để có thể so sánh ta xét một hệ thống vô tuyến di động tốc

độ cao, v=160 km/h thì ta có a  1.5 10  7 [2], dịch tần Doopler tương ứng là a f c(với fclà tần số sóng mang) Giá trị này nhỏ cho phép ta bỏ qua các ảnh hưởng lên đồng bộ ký hiệu Tuy nhiên xét kênh thủy âm, thì vận tốc sóng âm cơ bản chỉ 1500 m/s nên nếu một thiết bị chuyển động dưới nước (không phải tàu ngầm) với vận tốc vài m/s thì hệ số a  103 Trong trường hợp sử dụng sóng siêu âm thì ta không thể bỏ qua các giá trị dịch tần Doppler này

Tóm lại kênh nước biển nông có các đặc điểm như ở Bảng I sau

Bảng I Tham số kênh nước biển nông

Trải trễ tối đa (m) 10 ms

Dịch tần Doppler cực

đại(fm  a f c)

10 -3 x9000Hz=9Hz

Đáp ứng xung (f=5,10,15KHz) như Hình 2

B Đáp ứng xung kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ

Việt Nam

Trên cơ sở các phân tích ở trên chúng tôi đề xuất mô

hình kênh nước biển nông thuộc vịnh Bắc Bộ Việt Nam có đáp

ứng xung với biên độ tuân theo phân bố Rayleigh như sau:

h a jb   (2) trong đó a b N ,  (0, )  , phân bố Gauss với trung bình

không và là phương sai của tạp âm nền môi trường biển

vịnh Bắc Bộ

Giá trị tạp âm nền phụ thuộc vào nhiều yếu tố như trạng thái

của biển, tốc độ gió và mật độ lưu thông các phương tiện tàu

thủy Theo tài liệu [9], nếu trạng thái biển ổn định, tốc độ gió

trung bình, mật độ lưu thông tàu thủy vừa phải 2 90dB

Tuy nhiên xét thêm hiện tượng đa đường với độ trải

trễ tối đa 10 ms và chuẩn hóa giá trị độ lợi 2 tap đầu tiên thì

đáp ứng xung kênh thủy âm như sau

h t ( ) 0.6* ( ) 0.4* (  h t  h t  m) (3)

Hệ số phản xạ tại mặt biển là -1 (chỉ quay pha), tia âm phản

xạ tại thềm lục địa giả thiết mỗi lần mất mát đi 3dB

IV THIẾTKẾHỆTHỐNG

Trước tiên chúng tôi thiết kế một hệ thống OFDM với các

tham số như Bảng II sau đây

Bảng II Các tham số của hệ thống OFDM

Tần số lấy mẫu 9 KHz

Số điểm lấy FFT, IFFT 512

Điều chế sóng con QPSK

Chu kỳ ký hiệu không có CP 56,9 ms

Chu kỳ ký hiệu có CP 71,1 ms

Khoảng phân cách sóng con 17,6 Hz

Nhìn trên Bảng II ta thấy tần số sóng mang là 9KHz, cơ sở

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

(transducer), một bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị

thủy âm

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

Việc chọn khoảng phân cách sóng con 17,6 Hz để trong điều kiện xấu nhất hệ thống chịu ảnh hưởng dịch tần Doppler chiếm khoảng 50% phân cách sóng con Chọn tham số như vậy cũng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các kỹ thuật

bù khử dịch tần Doppler cần thiết

Từ các tham số hệ thống OFDM ở Bảng II ta có thể tính được tốc độ lý thuyết của hệ thống OFDM là

3

56,9 10

hieu suat su dung phoQPSK so song con R

chu ky ky hieu bps











Theo kết quả [3] hệ thống dùng điều chế FSK 2 mức thì đạt tốc độ lý thuyết là

1 5400 5400

R hieu suat su dung pho BFSK R

bps

So sánh hai kết quả này thì rõ ràng dùng điều chế OFDM đạt tốc độ tốt hơn Đồng thời vì [3] dùng điều chế FSK với hai tần

số sóng mang f=1200 Hz, 2200 Hz nên chu kỳ ký hiệu là 0,83

ms và 0,45 ms nhỏ hơn đáng kể so với độ trải trễ tối đa 10 ms,

do đó hệ thống sẽ chịu ảnh hưởng Fading rất lớn từ kênh thủy

âm, trong nhiều trường hợp sẽ mất hoàn toàn thông tin

V KẾTQUẢMÔPHỎNG Phần này trình bày mô phỏng với các kịch bản sau đây:

KỊCH BẢN 1

1 Mô hình kênh nước biển nông ở vịnh Bắc Bộ Việt Nam như mô tả ở phần III Ở đây sử dụng công thức (2) cho

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 tham số chỉ ra ở Bảng II

3 Tiến hành mô phỏng Monte Carlo dùng

kiểm tra chất lượng hệ thống

KỊCH BẢN 2

1 Mô hình kênh nước biển nông ở vịnh Bắc Bộ Việt như mô tả ở phần III Tuy nhiên xét thêm hiện tượng

đa đường với độ trải trễ tối đa 10 ms và chuẩn hóa giá trị độ lợi 2 tap đầu tiên, đáp ứng xung kênh thủy

âm như công thức (3) Mô phỏng cho kịch bản 2 sử dụng công thức này

2 Các điều kiện khác như kịch bản 1

Sau khi tiến hành mô phỏng chúng tôi có được các kết quả của Kịch bản 1 như ở Hình 3 và Kịch bản 2 như ở Hình

4 sau đây

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Eb/No, dB

BER trong kenh Thuy am Rayleigh Fading

Duong ly thuyet kenh AWGN

Mo phong kenh Rayleigh Fading

Hình 3 Tỷ lệ lỗi bit hệ QPSK OFDM cho kênh AWGN

(đường màu xanh nước biển, có chấm vuông), tỷ lệ lỗi bit cho

kênh thủy âm Rayleigh Fading (đường màu hồng, có chấm chéo)

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Eb/No, dB

BER kenh Thuy am Fading Rayleigh co Da duong(2 tap, do loi chuan hoa)

Duong ly thuyet kenh AWGN

Mo phong kenh Rayleigh Fading

Hình 4 Tỷ lệ lỗi bit hệ QPSK OFDM cho kênh AWGN

(đường màu xanh nước biển, có chấm vuông), tỷ lệ lỗi bit cho

kênh thủy âm Rayleigh Fading với 2 tap, độ lợi chuẩn hóa (đường

màu hồng có chấm chéo)

Từ Hình 3 ta thấy rằng kênh thủy âm khảo sát là rất phức

tạp, khi kể đến hiện tượng đa đường chất lượng tín hiệu thu bị

hạn chế đáng kể Với mức BER=10-3 trong kênh AWGN và

kênh thủy âm Rayleigh Fading cần mật độ năng lượng bit trên

tạp âm, Eb/No tương ứng là 6 dB và 18 dB Như vậy với mức

BER=10-3 thì kênh thủy âm này sụt giảm 12 dB so với kênh

AWGN Sở dĩ có hiện tượng này là do sự phân tán thời gian

xảy ra lớn trong kênh thủy âm Tuy nhiên có thể tin rằng thông

tin chỉ có thể bị phá hủy một phần mà không bị mất hoàn toàn

do đã sử dụng việc kéo dài độ rộng chu kỳ ký hiệu phát

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

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 của tạp âm nền của biển

Như vậy chúng tôi đã tiến hành mô phỏng hoàn chỉnh một

hệ QPSK OFDM trong kênh thủy âm đề xuất đặc trưng cho 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 truyền tin dưới biển

VI KẾTLUẬN Bài báo đã tiến hành quan sát lý thuyết một kênh nước biển 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

kế và mô phỏng hoàn chỉnh để truyền tin qua mô hình kênh đề xuất Các ảnh hưởng của phân tán thời gian và tần số đã được xem xét Trên quan điểm thiết kế mà nói thì thiết kế này đã thành công khi đạt được tốc độ truyền tin hơn gần 2,5 lần so với kết quả dùng FSK trong [3]

TÀILIỆUTHAMKHẢO

[1] Nguyễn Văn Phòng (2007), Bách Khoa về Biển, NXB từ điển bách khoa [2] M Stojanovic (2008), “Underwater acoustic communications: design

considerations on the physical layer”, IEEE Fifth annual conference on

wireless on demand network systems and services, pp 1-10

[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

of Engineering Education, pp.36-46

[4] R.V Nee và R Prasad (2000), OFDM for wireless multimedia communications, Artech House Boston, London

[5] M Stojanovic (2008), “OFDM for underwater acoustic

communications: adaptive synchronization and sparse channel estimation”, IEEE International conference on acoustic, speech and

signal processing, pp 5288-5291

[6] Baosheng Li và cộng sự (2009), “ MIMO-OFDM for high rate

underwater acoustic communications”, IEEE Journal on Oceanic

Engineering, Vol.34, pp.634-644

[7] M Stojanovic (2006), “ Low complexity OFDM detector for underwater acoustic channels”, pp.1-6, IEEE Conference Oceans, DOI: 10.1109/OCEANS.2006.307057

[8] A Radosevic và cộng sự (2013), “Adaptive OFDM modulation for

underwater acoustic communications: Design considerations and Experimental results”, IEEE Journal of Oceanic Engineering, pp

357-370 ISSN: 0360-9059

[9] Trần Bá Tấn và Trần Cao Quyền (2015), “Design an power amplifier

for a digital underwater modem using FSK modulation”, Journal of

Science and Technology-Hanoi University of Industry, pp.15-18 ISSN 1859-3585

[10] Bạch Nhật Hồng (2006), Đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng một số cảm

biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số 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

bị liên lạc thủy âm