Trong số các kỹ thuật này thì kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM có ưu điểm là hiệu quả sử dụng phổ cao nên phù hợp với băng thông hạn hẹp của kênh truyền dưới nước,
G IỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, thông tin dưới nước đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong nhiều ngành, bao gồm thám hiểm đại dương, quan trắc địa hình dưới biển, và truyền thông giữa các tàu ngầm Đặc biệt, lĩnh vực này đóng vai trò then chốt trong quân sự và an ninh quốc phòng Với hàng nghìn km bờ biển và vùng hải phận rộng lớn ở biển Đông, Việt Nam đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu vào thông tin dưới nước.
Trong môi trường nước, tín hiệu sóng điện từ bị giới hạn về tốc độ và khoảng cách do sự hấp thụ và suy hao nhanh chóng Ngược lại, tín hiệu sóng âm có ưu điểm vượt trội vì ít bị suy hao trong nước Do đó, việc sử dụng sóng âm để truyền thông tin dưới nước là phương pháp ưu tiên hàng đầu, đặc biệt khi kết hợp với các công nghệ tiên tiến để đạt hiệu quả cao.
Trong môi trường dưới nước, sóng âm chịu ảnh hưởng từ biến đổi nhiệt độ, nhiễu và hiện tượng truyền dẫn đa đường do phản xạ và tán xạ Tốc độ truyền dẫn của sóng âm dưới nước chỉ khoảng 1.5 km/s, thấp hơn nhiều so với tốc độ sóng điện từ là 300.000 km/s, dẫn đến hiện tượng trễ truyền dẫn và ảnh hưởng lớn hơn của dịch tần Doppler đến tín hiệu thu Những đặc tính này khiến kênh truyền dưới nước khác biệt rõ rệt so với kênh truyền sử dụng sóng điện từ.
Có nhiều kỹ thuật truyền thông dưới nước như ASK, FSK, M_PAM, M_QAM, OFDM, và SC-FDMA Trong số đó, kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) nổi bật với hiệu quả sử dụng phổ cao, phù hợp với băng thông hạn hẹp của kênh truyền dưới nước, đồng thời có khả năng chống giao thoa đa đường tốt Do đó, luận án sẽ tập trung nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật OFDM trong truyền thông dưới nước.
Tín hiệu OFDM rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và tần số, do đó việc xác định chính xác điểm bắt đầu và sai lệch tần số bên phát trong môi trường nhiễu cao, như dưới nước, là một thách thức lớn.
Hai công nghệ quan trọng cần được giải quyết là hiệu ứng Doppler và nhiễu liên sóng mang ICI Khi có sự dịch chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu, hiệu ứng Doppler sẽ làm sai lệch tần số thu và phát, từ đó ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu thu.
Hệ thống thông tin dưới nước chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố môi trường, dẫn đến chất lượng tín hiệu thu thấp do tỷ lệ SNR nhỏ và tỷ lệ lỗi SER cao Việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao chất lượng tín hiệu là cần thiết Chương 4 của luận án sẽ đề xuất tận dụng các yếu tố bất lợi trong truyền thông, như chuyển động tương đối giữa phát và thu, cũng như chuyển động của sóng gió mặt nước, để xây dựng hệ thống truyền thông sử dụng tính phân tập không gian-thời gian tương đương với hệ thống MIMO Mục tiêu là cải thiện chất lượng tín hiệu và giảm tỷ lệ lỗi ký tự SER khi giải mã Luận án sẽ tập trung nghiên cứu ba vấn đề chính để giải quyết những thách thức này.
- Thứ nhất là nghiên cứu và giải quyết các vấn đề vềđồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trường dưới nước
Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật mới nhằm bù dịch tần Doppler cho hệ thống thông tin dưới nước sử dụng kỹ thuật OFDM là một nhiệm vụ quan trọng Các đề xuất này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống thông tin dưới nước.
Thứ ba, cần tìm ra các phương pháp cải thiện chất lượng tín hiệu thủy âm bằng cách ứng dụng đặc tính phân tập không gian-thời gian, cho phép hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát nhưng vẫn đạt hiệu quả tương đương như một hệ thống nhiều anten (MIMO).
2 Những vấn đề còn tồn tại
Có nhiều phương pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, chủ yếu sử dụng các chuỗi tín hiệu đặc biệt gắn vào đầu hoặc cuối mỗi khung tín hiệu Các phương pháp nổi bật bao gồm Schmidl, Park, Minn và Seung.
Các phương pháp được đề cập trong [20,21] không đáp ứng tiêu chí truyền tin dưới nước do yêu cầu tiết kiệm băng thông Hơn nữa, đặc điểm của sóng âm [14] khác với sóng vô tuyến, dẫn đến hiệu quả thấp khi áp dụng các phương pháp này cho truyền tín hiệu dưới nước.
Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm chậm (1,5 km/s), dẫn đến sự chuyển động tương đối giữa bên phát và thu gây ra lượng dịch tần Doppler lớn, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu OFDM Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM Các phương pháp này thường tính toán độ dịch tần số Doppler sau khi đồng bộ Tuy nhiên, trong trường hợp độ dịch tần Doppler lớn và nhiễu mạnh, tín hiệu thu được có thể bị méo dạng nghiêm trọng, khiến kỹ thuật đồng bộ dựa trên so sánh chuỗi tín hiệu không chính xác.
Các phương pháp bù dịch tần Doppler hiện nay vẫn sử dụng chuỗi ký tự để thêm vào đầu các khung, dẫn đến hiệu quả tiết kiệm băng thông không cao Chúng thường phải trải qua hai bước: đồng bộ thô và đồng bộ tinh Trong bước đồng bộ thô, tần số Doppler được tính toán gần đúng và làm tròn thành số nguyên Bước đồng bộ tinh sử dụng thuật toán để tính toán chính xác tần số Doppler và áp dụng ma trận ICI để khử nhiễu liên kênh trước khi giải mã tín hiệu Tuy nhiên, quy trình hai bước này phức tạp và không thích ứng tốt với sự biến đổi nhanh của tần số Doppler.
Vấn đề 4: Kênh truyền dưới nước chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như nhiễu và dịch tần Doppler, dẫn đến tín hiệu thu được thường có chất lượng thấp và tỷ lệ lỗi tín hiệu SER cao Để cải thiện chất lượng tín hiệu trong các hệ thống vô tuyến, người ta thường sử dụng nhiều anten thu nhằm tận dụng tính phân tập không gian Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ MIMO làm cho thiết bị trở nên cồng kềnh và khó di chuyển trong môi trường dưới nước Do đó, mục tiêu của luận án là tìm ra giải pháp sử dụng hệ thống một thu - một phát (SISO) nhưng vẫn khai thác được các đặc tính của MIMO, cụ thể là tính phân tập không gian-thời gian của tín hiệu để giải quyết các vấn đề nêu trên.
3 Mục tiêu của luận án
Nghiên cứu thuật toán để đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trường truyền tin dưới nước với tiêu chí:
Chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ cho khung dữ liệu nên cho hiệu quả sử dụng băng thông tốt
Cho hiệu quả đồng bộ và chất lượng tín hiệu thu được tốt hơn các phương pháp phổ biến
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 có:
Việc tính độ dịch tần Doppler được thực hiện trước khi đồng bộ nên không cần phải xác định chính xác điểm bắt đầu của mỗi khung tín hiệu
Độ dài chuỗi sin ngắn nên tiết kiệm đƣợc băng thông đồng thời xử lý dễ dàng hơn
Xác định tần số Doppler gần chính xác từ bước đồng bộ thô cho phép sử dụng thuật toán xoay pha đơn giản ở bước đồng bộ tinh.