- MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT LUẬN VĂN GIỚI THIỆU CHUNG Mục đích thiết kế Phương pháp thực hiện CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC Giới thiệu chương Vai trò của hệ thống thông tin thủy âm Đặc điểm sóng thủy âm Đặc tính tần số của sóng thủy âm Vận tốc sóng âm dưới nước Đặc tính lan truyền sóng âm trong môi trường nước Đặc điểm kênh truyền thủy âm. - Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền thủy âm Suy hao trong môi trường dưới nước Sự suy giảm âm thanh trong chất lắng cặn Nhiễu môi trường Hiệu ứng Doppler Các tham số đánh giá hiệu quả của kênh Đánh giá tỉ số SNR – Tần số tối ưu Đánh giá băng thông, tỉ số C/B Kết chương CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC - COGNITIVE RADIO Giới thiệu chương Software defined radio Khái Niệm Giới thiệu về Lịch sử SDR Các thiết bị hỗ trợ SDR Lợi ích từ SDR Cognitive Radio (CR Giới thiệu Định nghĩa Kiến trúc vật lí Sự phát triển của Cognitive Radio (CR). - Các chức năng chính của CR Cảm biến phổ (spectrum sensing Kết chương CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN THỦY ÂM Giới thiệu chương Đặc tính kênh truyền dưới nước Suy hao đường truyền trong môi trường nước Nhiễu màu trong môi trường nước Công nghệ vô tuyến nhận thức Kết chương CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Giới thiệu chương Kênh truyền dẫn Hệ thống vô tuyến nhận thức thông minh trong thủy âm Kết chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu của tác giả khác. - Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo. - Nguyễn Văn Thọ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ Từ gốc Ý nghĩa ASK Amplitude Shift Keying Điều chế số theo biên độ tín hiệu BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit FSK Frequency Shift Keying Điều chế số theo tần số tín hiệu GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu Gauss ISI InterSymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự MSK Minimum Shift Keying Điều chế dịch cực tiểu OFDM Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PSK Phase Shift Keying Điều chế số theo pha tín hiệu QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm UAC Underwater Acoustic Channel Kênh thông tin thủy âm CR Cognitive Radio Sóng mang nhận thức thông minh PU Primary User Người dùng chính DANH MỤC BẢNG BIỂU 4-1: Bảng lựa chọn phạm vi truyền song theo băng thông tín hiệu. - 70 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt. - 6 Hình 1-2 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào độ mặn của nước. - 7 Hình 1-4 Môi trưởng truyền sóng đồng nhất với nguồn S và bên thu R. - 12 Hình 1-5 Hiện tượng đa đường trong môi trường nước. - 14 Hình 1-7 Sự phụ thuộc của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển. - 18 Hình 1-8 Sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic. - 19 Hình 1-9 Hệ số hấp thụ af trong môi trường nước. - 20 Hình 1-10 Suy hao theo phân bố cầu ở vng nước sâu. - 21 Hình 1-11 Suy hao theo phân bố trụ trong môi trường nước nông. - 24 Hình 1-13 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois và Garrison. - 26 Hình 1-14 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=200C. - 27 Hình 1-15 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=300C. - 28 Hình 1-16 Hệ số suy hao theo các mô hình khác nhau. - 30 Hình 1-18 Sự phụ thuộc của SNR vào khoảng cách truyền và tần số. - 37 Hình 1-19 Giá trị tần số tối ưu theo khoảng cách. - 42 Hình 2-1 Hiệu suất sử dụng phổ tần số. - 59 Hình 2-10 Sơ đồ cảm biến trong miền tần số. - 60 Hình 3-1: Phân bố phổ tần giữa hệ thống sơ cấp và thứ cấp. - 64 Hình 3-2: Mô hình nhiễu giữa hệ thống sơ cấp và thứ cấp. - 65 Hình 4-1 Mô tả sơ đồ hệ thống xây dựng cho kênh truyền. - 69 Hình 4-2: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 165 mW. - 71 Hình 4-3: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 4*165 mW. - 72 Hình 4-4: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 7*165 mW. - 72 Hình 4-5: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 11*165 mW. - 73 Hình 4-6: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 15* 165 mW. - 73 Hình 4-7: Thông lượng của hệ thống với trường hợp dss = 1km,dsp = 1km, dps = 3km. - 74 Hình 4-8: Thông lượng của hệ thống với trường hợp dss = 2km, dsp = 1km, dps = 3km. - 74 Hình 4-9: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km, dsp = 1km, dps = 3km. - 75 Hình 4-10: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km, dsp = 2km, dps = 5km. - 75 Hình 4-11: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km, dps = 5km,không tính đến nhiễu màu. - 76 Hình 4-12: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km, dps = 5km, tính đến nhiễu màu. - 76 1 LỜI NÓI ĐẦU Tài nguyên tần số là hữu hạn và vô cùng quý giá, dải tần số đang dần trở nên chật hẹp bởi nhu cầu sự dụng… Mặc dù vậy nhưng hiệu suất sử dụng tài nguyên tần số lại rất thấp. - Hiệu suất này thay đổi dựa vào đặc điểm hệ thống mạng viễn thông ở từng vùng địa lí (mạng dày đặc hay thưa thớt) và thời điểm sử dụng (giờ cao điểm hay bình thường). - Cognitive radio là công nghệ mới đầy hứa hẹn cho sự phát triển của viễn thông trong tương lai bởi tính linh hoạt và thông minh của nó sẽ đáp ứng được yêu cầu về sử dụng hiệu quả tần số cao hơn có thể cảm nhận phổ, biết được phổ đang sử dụng và phổ trống, từ đó đưa ra những quyết định sử dụng phổ. - Nhu cầu thông tin liên lạc dưới nước ở Việt Nam ngày càng trở nên cần thiết với mục đích khác nhau như thám hiểm tài nguyên biển, vận hành các phương tiện dưới biển tự động và quân sự. - Tuy nhiên, do sự khác biệt cơ bản về đặc tính của môi trường không gian tự do và môi trường biển nên những công nghệ sử dụng cho thông tin vô tuyến hiện thời khó có thể áp dụng cho việc thông tin dưới nước. - Đặc biết dải tần số cho thông tin liên lạc dưới nước lại hạn hẹp (KHz). - Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó và trong khuôn khổ luận văn này, tôi xin trình bày về việc xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thực Cognitive radio và ứng dụng cho kênh truyền thông tin liên lạc dưới nước sử dụng công cụ mô phng Matlab. - 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn đề cập đến vấn đề xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm. - Giới thiệu chung Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin dưới nước Tổng quan mạng hệ thống thông tin dưới nước, vai trò của hệ thống thông tin thủy âm, các đặc tính sóng thủy âm và đặc tính của kênh truyền thủy âm. - Chương 2: Giới thiệu về công nghệ vô tuyến nhận thức Trình bày ngắn gọn về nền tảng công nghệ được sử dụng trong các ứng dụng về công nghệ vô tuyến nhận thức trong truyền dẫn, các chức năng chính của công nghệ vô tuyến nhận thức. - Chương 3: Xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm Trong chương này đề cập chi tiết đến đặc tính của kênh truyền dưới nước. - Sự ảnh hưởng của suy hao đường truyền, ảnh hưởng của nhiễu. - Sau đó áp dụng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm. - Chương 4: Kết quả mô phng hệ thống Trình bày về kết quả đã đạt được dựa vào mô hình hệ thống đề xuất ở chương 3. - Kết luận và hướng phát triển 3 GIỚI THIỆU CHUNG Mục đích thiết kế Ngày nay khi nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng phát triển mạnh mẽ đặc biệt như với môi trường truyền dẫn dưới nước các các phương tiện giao thông trên biển, tàu ngầm, thiết bị nghiên cứu, thông tin về thời tiết, thông tin quân sự. - thì yêu cầu về nghiên cứu hệ thống và tối ưu hệ thống trở thành yêu cầu cần thiết và có tính thực tiễn cao. - Không nằm ngoài mục đích đó, trong khuôn khổ nghiên cứu và thiết kế của luận văn, gip tìm hiểu, nghiên cứu và mô phng áp dụng công nghệ vô tuyến nhận thức thông minh trong truyền dẫn môi trường dưới nước. - Tạo ra hệ thống thân thiện và hiệu suất sử dụng phổ vô tuyến cao kèm theo các đánh giá và hướng phát triển tiếp theo. - Phương pháp thực hiện Tiếp cận vấn đề từ việc nghiên cứu công nghệ triển khai, từ lý thuyết SDR đến CR. - Khảo sát đặc điểm của kênh truyền thủy âm, các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng truyền sóng như suy hao trong môi trường nước theo khoảng cách, các loại nhiễu. - Áp dụng công nghệ vô tuyến nhận thức vào mô hình kênh truyền dưới nước trong hệ thống thông tin liên lạc dưới nước thông qua việc phân bổ công suất cho cho hệ thống CR dựa vào các điều kiện rằng buộc. - 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC Giới thiệu chương Hệ thng thông tin dưới nước ngy cng gp phn quan trng vo cc lnh vc ca cuc sng với nhiều mục đích khc nhau. - Tuy nhiên, do nhng tính cht ca môi trưng, các yếu t ảnh hưởng đến môi trưng truyền sóng nên hệ thng thông tin liên lạc thy âm c nhiều đim khc biệt với hệ thng trên mt đt. - Do đ đ đảm bảo truyền thông tin ổn định và chính xác việc nghiên cứu cc đc tính ca kênh truyền đng mt vai tr quan trng. - Chương 1 trnh by ngắn gn vai trò ca hệ thng thông tin thy âm, các đc tính sóng thy âm v đc tính ca kênh truyền thy âm. - 1.1 Vai trò của hệ thống thông tin thủy âm Để đáp ứng những nhu cầu thực tế, thông tin liên lạc dưới nước ngày càng được sử dụng rộng rãi và đóng vai tr rất quan trọng với nhiều mục đích khác nhau như: thăm d dưới biển, điều khiển thiết bị tự động, thu thập dữ liệu về môi trường một cách tự động sau đó truyền về trung tâm, đặc biệt cho những mục đích quân sự. - 1.2 Đặc điểm sóng thủy âm 1.2.1 Đặc tính tần số của sóng thủy âm Việc thông tin dưới biển thực tế khó có thể thực hiện được bằng sóng điện từ trường, lý do mức độ suy hao rất lớn trong môi trường lan truyền dưới nước. - Sóng quang học tuy không có suy hao lớn trong môi trường nước tuy nhiên lại bị nhiễu bởi hiện tượng tán xạ. - Cho đến nay, phương pháp hiệu quả nhất cho việc truyền dẫn thông tin vô tuyến dưới nước là sử dụng lan truyền sóng âm. - Tần số công tác thấp: nằm trong dải dao động của sóng âm thanh Độ rộng băng rất hẹp và độ gợn sóng khá lớn. - 5 1.2.2 Vận tốc sóng âm dưới nước Sự biến thiên vận tốc sóng âm trong môi trường biển là tương đối nh. - Thông thường, vận tốc sóng âm c sẽ biến thiên từ 1450 tới 1540m/s. - Tuy nhiên, những thay đổi nh trong vận đốc sóng âm cng có những ảnh hưởng lớn tới lan truyền sóng ở trong nước. - Tốc độ âm thanh trong nước biển đã được tập trung phân tích trong rất nhiều mô hình toán học. - Trong đó có phương trình Mackenzine được trình bày trong [1], ở đây tốc độ âm thanh trong nước biển được tính toán với một ước lượng tốc độ sai số xấp xỉ 0.070m/s. - (1.1) Trong đó: v là tốc độ âm thanh tính theo m/s, T là nhiệt độ theo oC, S là độ mặn thep phần nghìn ppt, D là độ sâu theo met. - Với biển Đông Việt Nam, nhiệt độ và độ mặn của nước biển thay đổi rất nhiều theo các ma trong năm, và theo vị trí ven bờ hay ngoài khơi, cả theo độ sâu. - 6 Hình 1-1 Tc đ âm thanh phụ thuc vào nhiệt đ v đ sâu (S=33ppt). - Ta thấy tốc độ âm thanh tăng theo cả nhiệt độ và độ sâu, nhưng theo chiều tăng nhiệt độ, đặc tính tốc độ âm thanh dốc hơn nhiều. - Tốc độ âm thanh đối với vùng biển Việt Nam có độ sâu dưới 1000m thay đổi từ 1400÷1560 m/s. - Hình 1-2 S phụ thuc ca tc đ âm thanh vo đ mn ca nước 7 Hình 1-4 chỉ ra rằng mặc dù tốc độ âm thanh thay đổi theo sự thay đổi của độ mặn, nhưng thậm chí những giá trị về độ sâu và nhiệt độ được sử dụng được cho là tối ưu cho sự thay đổi của tốc độ âm thanh, nhưng tốc độ âm thanh cng chỉ thay đổi 10m/s trong phạm vi tăng giảm độ mặn đi 10ppt, do vậy ảnh hưởng của độ mặn có thể lấy một giá trị cố định mà vẫn chấp nhận được. - Sử dụng phương trình MacKenzine, xây dựng một đồ hình cho tốc độ âm thanh trong nước thay đổi theo độ sâu và nhiệt độ trong Hình 1-4. - Độ mặn ở đây lấy cố định là 35ppt đã trình bày hiệu quả nhất về ảnh hưởng của độ sâu và nhiệt độ, hai biến số thay đổi nhiều nhất trong môi trường nước sâu. - 1.2.3 Đặc tính lan truyền sóng âm trong môi trường nước Quá trình lan truyền sóng âm trong môi trường dưới nước có thể được mô tả dưới dạng toán học bằng phương trình sóng, các tham số và điều kiện biên của phương trình tha mãn điều kiện môi trường dưới nước ở từng khu vực khác nhau. - 1.2.3.1 Phương trình sóng của quá trình truyền sóng âm Phương trình sóng trong chất lng có thể được giải từ mối quan hệ thủy động lực và đoạn nhiệt giữa áp suất và mật độ. - Phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình Euler, và phương trình đoạn nhiệt của trạng thái được trình bày dưới đây [3] v(x) gpx gp x d xv(x+dx)xAxx+dx Hình 1-3 Di chuyn ca hạt t vị trí x tới vị trí x+dx[3]
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt