Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp trên kênh thông tin thủy âm - Nguyễn Tuấn Anh

Kỹ thuật điện tử N. T. Anh, Tr. X. Nam “Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp trên kênh thông tin thủy âm.” 4 NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRÊN KÊNH THÔNG TIN THỦY ÂM Nguyễn Tuấn Anh1*, Trần Xuân Nam1 Tóm tắt: Bài báo thực hiện nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng truyền thông chuyển tiếp dưới nước. Dung lượng kênh thông tin thủy âm với các kỹ thuật xử lý chuyển tiếp khác nhau được thể hiện thông qua mô phỏng Matlab. Từ khóa: Điện tử viễn thông, Thông tin thủy âm, Kỹ thuật chuyển tiếp. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Truyền thông dưới nước đang là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng hiện nay. Sóng truyền trong kênh thông tin dưới nước là sóng âm, bị ảnh hưởng chủ yếu bởi sự thay đổi các yếu tố của kênh truyền [2], sự lan truyền đa đường, hiệu ứng Doppler, băng thông hạn chếđiều này làm tăng tỉ lệ lỗi bit và giảm tốc độ truyền dữ liệu. Bên cạnh đó, truyền thông chuyển tiếp đang được nghiên cứu rộng rãi như một giải pháp quan trọng trong việc cải thiện dung lượng, mở rộng phạm vi vùng phủ và hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả cho kênh thông tin dưới nước. Từ đó, tác giả thực hiện nghiên cứu, mô phỏng các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng truyền thông chuyển tiếp trên kênh thủy âm. 2. CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ CHUYỂN TIẾP ỨNG DỤNG TRÊN KÊNH THỦY ÂM Hình 1. Mô hình hệ thống truyền thông chuyển tiếp dưới nước. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 5 Truyền thông chuyển tiếp thực hiện truyền dẫn một bản tin từ nguồn đến đích nhờ sự hợp tác của một hay nhiều nút trung gian. Mô hình truyền thông chuyển tiếp dưới nước gồm có một nút nguồn s, một nút chuyển tiếp r và một nút đích d, được thể hiện ở hình 1. Một tuyến truyền dẫn từ nguồn tới đích được chia thành 2 pha. Ở pha 1, nút nguồn thực hiện phát tín hiệu quảng bá đến cả nút chuyển tiếp và nút đích. Ở pha 2, nút chuyển tiếp thực hiện xử lý tín hiệu rồi chuyển tiếp đến nút đích, sau đó thực hiện các kỹ thuật kết hợp tín hiệu tại nút đích. Các tín hiệu thu được dY và rY trong pha 1 tại nút đích d và nút chuyển tiếp r có thể được biểu diễn theo [6]: , , ,s d s s d s dY PG X n  , , , ,s r s s r s rY PG X n  , (1) trong đó: sP là công suất phát tại nút nguồn s, X là symbol thông tin phát, ,s dn , ,s rn là các tạp âm cộng tính tại nút đích và nút chuyển tiếp tương ứng với thời điểm nhận tín hiệu từ nút nguồn, ,s dG và ,s rG tương ứng là độ lợi kênh từ s tới d và từ s tới r. Giả sử công suất tạp âm là như nhau với mọi liên kết, khi đó tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR của đường liên kết trực tiếp là: , , 2 SNR DT s s ds d PG   , (2) và tốc độ thông tin của đường trực tiếp sẽ là:  , 2 ,W log 1 DTs d s dR SNR  , (3) với W là băng thông của kênh. Ở pha 2, nút chuyển tiếp thực hiện xử lý tín hiệu nhận được ở pha 1 bằng một kỹ thuật xử lý được biểu diễn bởi hàm  ,s rq Y rồi chuyển tiếp tới đích. Tín hiệu nhận được tại nút đích được biểu diễn bởi:  , , , ,r d r r d s r s dY PG q Y n  , (4) trong đó: ,r dG là độ lợi kênh từ nút chuyển tiếp tới đích. Trong phần tiếp theo, phẩm chất của các kỹ thuật xử lý chuyển tiếp AF (amplify- and-forward) và DF (decode-and-forward) sẽ được xem xét và đánh giá. 2.1. Kỹ thuật xử lý khuếch đại-chuyển tiếp (AF) Ở kỹ thuật này, nút chuyển tiếp nhận tín hiệu phát từ nút nguồn, sau đó chỉ thực hiện khuếch đại với hệ số r rồi chuyển tiếp tới đích. Hệ số r được chọn sao cho Kỹ thuật điện tử N. T. Anh, Tr. X. Nam “Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp trên kênh thông tin thủy âm.” 6 có thể bù lại suy hao của kênh truyền giữa nguồn-chuyển tiếp. Hệ số khuếch đại thường được lựa chọn là [11]: , 0 1 r s s rPG N    . (5) Tín hiệu nhận được tại nút đích sẽ là:  , , , 0 0 P . r d r r d r s s r sr rd r rd s sr r rd sr rd s sr s sr Y PG PG X n n G PG PG X n n PG N PG N         (6) Khi đó tỉ số SNR của tín hiệu chuyển tiếp và lượng tin thu được tại nút đích (khi sử dụng kỹ thuật kết hợp tỉ số cực đại MRC) được tính theo (7) và (8).  , , 2 2 AF s r rd sr s r d r rd s sr P P G G SNR P G P G     , (7)  , , 2 , , , 1 Wlog 1 2 AF DT AF s r d s d s r dR SNR SNR   . (8) 2.2. Kỹ thuật xử lý giải mã-chuyển tiếp (DF) Kỹ thuật giải mã chuyển tiếp DF được đề xuất nhằm loại bỏ hiện tượng khuếch đại tạp âm tại nút chuyển tiếp của kỹ thuật AF. Tín hiệu thu được tại nút chuyển tiếp ở pha 1 được giải mã để thu được ước lượng của tín hiệu phát, là tín hiệu được chuyển tiếp ở pha 2. Tín hiệu giải mã tại nút chuyển tiếp có thể chính xác hoặc không chính xác tùy theo trạng thái của kênh truyền giữa nút nguồn và chuyển tiếp. Nếu tín hiệu giải mã được không chính xác thì việc chuyển tiếp tín hiệu sẽ không có ý nghĩa. Trong trường hợp này chất lượng của hệ thống thường bị giới hạn bởi liên kết yếu hơn trong hai liên kết từ nút nguồn tới nút chuyển tiếp và từ nút nguồn tới nút đích. Lượng tin giữa nguồn và đích bị giới hạn bởi 2 yếu tố: - Lượng tin của kết nối xấu nhất giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp, - Lượng tin của kênh kết hợp từ nguồn tới đích và từ chuyển tiếp tới đích. Lượng tin thu được biểu diễn qua (9): , , 1 2 0 1 max min{R ,R }DFs r dR    , (9) trong đó:  2 , ,1 2 2W log 1 1 s d s r P G R           , (10) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 7 và , ,, , 2 2 2 2 2 2 W log 1 s s d r r ds s d r r d PG PGPG PG R               . (11) Toán tử min trong (9) cho thấy thực tế nút chuyển tiếp sẽ chỉ thực hiện chuyển tiếp nếu tín hiệu giải mã được là đúng. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Các tham số mô phỏng được chọn: độ sâu nút nguồn 1m, độ sâu nút chuyển tiếp 5m, nút đích ở ngay trên mặt nước. Nút chuyển tiếp ở khoảng cách 100m so với nút nguồn và trên đường thẳng từ nguồn tới đích. Độ lợi kênh của các đường liên kết được tính dựa trên mô hình [12] với giả thiết vị trí các nút không bị dịch chuyển do chuyển động của sóng biển. Các tham số này được dùng để tính toán dung lượng kênh với các kỹ thuật xử lý chuyển tiếp khác nhau, được nêu ở mục 2. Tác giả thực hiện thay đổi vị trí của các nút chuyển tiếp và nút đích để thấy rõ sự ảnh hưởng của vị trí các nút tới dung lượng của kênh. (a) (b) Hình 2. Dung lượng kênh phụ thuộc vào vị trí nút đích và nút chuyển tiếp. Hình 2a là kết quả mô phỏng dung lượng kênh như một hàm của khoảng cách từ nguồn tới đích. Dễ dàng nhận thấy dung lượng giảm theo khoảng cách truyền. Ở phương pháp khuếch đại-chuyển tiếp AF, dung lượng có lúc cao hơn hoặc thấp hơn so với đường truyền trực tiếp (DT), phụ thuộc vào vị trí của nút đích. Bên cạnh đó phương pháp giải mã chuyển tiếp DF luôn đạt được dung lượng tốt hơn. Hình 2b mô tả dung lượng như một hàm của vị trí nút chuyển tiếp. Nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích được lựa chọn có cùng độ sâu 1m. Nút đích được đặt cách nút nguồn 400m, nút chuyển tiếp dịch chuyển từ 10m đến 390m so với nút Kỹ thuật điện tử N. T. Anh, Tr. X. Nam “Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp trên kênh thông tin thủy âm.” 8 nguồn và nằm trên đường từ nguồn tới đích. Nhận thấy với phương pháp DF, dung lượng kênh nhỏ hơn so với truyền trực tiếp (DT) khi nút chuyển tiếp ở xa so với nút nguồn (>350m). Điều đó được giải thích bởi việc giải mã tín hiệu tại nút chuyển tiếp có thể chứa lỗi, nút đích sau đó sẽ thực hiện kết hợp tín hiệu từ nút nguồn với nút chuyển tiếp dẫn tới dung lượng kênh giảm. Hầu hết với các phương pháp xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp luôn tồn tại một vị trí nút chuyển tiếp tối ưu, thường là tại khoảng cách giữa nút nguồn và đích mà tại đó dung lượng đạt được là lớn nhất. Hình 3 mô tả dung lượng kênh phụ thuộc vào độ sâu của nút chuyển tiếp. Ở đây, nút nguồn được đặt ở độ sâu 1m, nút đích đặt cách nút nguồn 400m nằm nằm trên mặt nước. Nút chuyển tiếp được đặt ở khoảng cách 200m so với nút nguồn và được thay đổi độ sâu. Kết quả cho thấy dung lượng kênh đạt được lớn nhất khi độ sâu nút chuyển tiếp khoảng 10m. Điều đó được giải thích bởi ở độ sâu 10m, nút chuyển tiếp có thể tránh được các hiệu ứng đa đường. Dung lượng kênh giảm mạnh khi độ sâu của nút chuyển tiếp tăng dần. Hình 3. Dung lượng kênh phụ thuộc vào độ sâu nút chuyển tiếp. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã thực hiện nghiên cứu hai kỹ thuật xử lý tín hiệu chuyển tiếp trên kênh thủy âm, đó là kỹ thuật khuếch đại – chuyển tiếp và kỹ thuật giải mã – chuyển tiếp. Các kết quả mô phỏng dung lượng kênh với hai phương pháp xử lý chuyển tiếp trên cho thấy ở khoảng cách chuyển tiếp gần nút nguồn, kỹ thuật DF thường cho dung lượng kênh tốt hơn trong khi kỹ thuật AF có ưu điểm đơn giản hơn mà vẫn đạt được dung lượng tốt hơn so với truyền trực tiếp. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 9 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Tuấn Anh, “Mô phỏng đánh giá dung lượng hệ thống truyền dẫn MIMO trên kênh thủy âm”, Hội thảo Thông tin và định vị trên biển, ComNavi (2014), tr. 6-11. [2]. R. E. Francois, G. R. Garrison, “Sound absorption based on ocean measurements. Part I: Pure water and magnesium sulfate contributions”, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 72, No. 3, pp. 896-907. [3]. R. E. Francois, G. R. Garrison, “Sound absorption based on ocean measurements. Part II: Boric acid contribution and equation for total absorption”, J. Acoust. Soc. Am. (1982), Vol. 72, No. 6, pp. 1879-1890. [4]. M. Chitre, “A high-frequency warm shallow water acoustic communications channel model and measurements”, J. Acoust. Soc. Am. (2007), Vol. 122, No.5, pp. 2580-2586. [5]. X. Lurton, “Introduction to Underwater Acoustic: Principles and Applications”, New York: Springer (2002). [6]. S. I. Aldharrab, et al., “Cooperative underwater acoustic communications”, Communications Magazine (2013), IEEE 51(7), pp. 146-153. [7]. R. J. Urick, “Ambient Noise in the Sea”, Undersea Warfare Technology Office, Dept. of the Navy, Washington D.C., USA (1984). [8]. M. S. Keshner, “1 f noise”, Proc. IEEE (1982), Vol. 70, No. 3, pp. 212-218. [9]. R. F. W. Coates, “Underwater Acoustic System”, Hong Kong: Macmillan (1990). [10].Z. Han, Y. L. Sun, “Cooperative transmission for underwater acoustic communications”. [11].J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative diversity in wireless networks: efficient protocols and outage behavior”, IEEE Trans. Inf. Theory (2004), Vol. 50, No. 12, pp. 3062-3080. [12].P. Qarabaqi, M. Stojanovic, ”Statistical characterization and computationally efficient modeling of a class of Underwater acoustic communication channels”, IEEE Journal of Oceanic engineering (2013), Vol. 38, No. 4, pp. 701-717. ABSTRACT PERFORMANCE STUDY OF COOPERATIVE PROTOCOLS IN UNDERWATER ACOUSTIC COMMUNICATION In this paper, we attempt to study cooperative protocols in cooperative underwater acoustic communications. The capacity of underwater acoustic channel is shown through simulation Maltab in different channel conditions. Keywords: Radio-electronics, Underwater communications, Cooperative protocols Nhận bài ngày 24 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 05 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1 Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự. * Email: anh.nt@mta.edu.vn