Nghiên cứu hệ thống thông tin truyền thông dưới nước

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

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.

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).

Contents

I. Giới thiệu

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

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

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

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

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

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