Tóm tắt Luận án Nghiên cứu triệt tần số doppler và khử nhiễu ici trong hệ thống vô tuyến đường sắt tốc độ cao

uyến tốc độ cao Theo nghiên cứu gần đây, tốc độ dữ liệu cần thiết của một tàu tốc độ cao khoảng 37.5Mbps và trong tƣơng lai xa con số này dự kiến sẽ là 0.5-5Gbps [25]. Do đó, hệ thống thông tin vô tuyến cần đƣợc nghiên cứu phát triển phù hợp với đƣờng sắt tốc độ cao. Ngày nay LTE đƣợc triển khai rộng rãi trên thế giới cho đầu cuối di chuyển tốc độ thấp, cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 300Mbps với băng thông 20MHz. Hơn nữa, hệ thống thông tin di động thứ 4 đã đƣợc chuẩn hóa, nhƣ IMTAdvanced sẽ đạt đƣợc tốc độ dữ liệu lên đến 1Gbps sử dụng băng thông của 100MHz. Với sự phát triển của LTE và IMT-A (International Mobile Telecommunications Advanced), mọi ngƣời sẽ đƣợc cung cấp các dịch vụ băng thông rộng khác 5 nhau đa phƣơng tiện. Và nó cũng đƣợc UIC lựa chọn nhƣ thế hệ tiếp theo cho thông tin đƣờng sắt [24] bỏ qua thế hệ thông tin di động thứ 3 bởi vì LTE ngoài khả năng cung cấp các dịch vụ băng rộng nó còn có khả năng đáp ứng các yêu cầu riêng của ngành đƣờng sắt nhƣ:Truyền thông tin của hệ thống điều khiển, giám sát thời gian thực, khống chế đa phƣơng tiện tàu, thông tin khẩn cấp đƣờng sắt, kết nối vạn vật IoT. 1.2. Ảnh hƣởng của di chuyển tốc độ cao đến chất lƣợng tín hiệu vô tuyến Chuyển giao trong môi trƣờng tốc độ cao Trong hệ thống LTE hỗ trợ cơ chế chuyển giao cứng HHO (Hard Handover) để giảm sự phức tạp trong kiến trúc mạng, tuy nhiên HHO không đảm bảo việc không có gói tin nào bị mất trong quá trình chuyển giao. Vì vậy phải có cơ chế hỗ trợ chuyển giao cho LTE khi nó ứng dụng trong môi trƣờng đƣờng sắt tốc độ cao để đáp ứng các yêu cầu về dịch vụ QoS (Quality of service) và RAMS (Reliability Availability Maintainability Safety). Cơ chế chuyển giao LTE trong môi trƣờng đặc biệt này phải liên tục, nhanh và tối thiểu việc mất gói tin. Mô hình kênh Trong tiêu chuẩn LTE của [35], mô hình kênh cho HSR đƣợc trình bày chỉ bao gồm hai kịch bản là không gian tự do và đƣờng hầm nên mô hình kênh không fading đƣợc sử dụng trong cả hai kịch bản này. Tuy nhiên, nhƣ đƣợc chỉ ra bởi [36], các yêu cầu nghiêm ngặt (vận tốc cao và đƣờng ray trải dài) của HSR dẫn đến nhiều môi trƣờng đặc thù khác nhau, chẳng hạn nhƣ cầu cạn, cầu cắt ngang, và đƣờng hầm. Do đó việc nghiên cứu một loạt các mô hình kênh cho HSR vẫn đang đƣợc nghiên cứu. Tính di động cao Tàu cao tốc thƣờng chạy ở tốc độ 350 km/h và LTE-R đƣợc thiết kế để hỗ trợ 500 km/h. Tốc độ cao dẫn đến kênh không tĩnh, đặc tính không tĩnh có tầm quan trọng đặc biệt vì nó ảnh hƣởng đến BER trong hệ thống đơn sóng mang và đa sóng. Hơn nữa, vận tốc cao gây ra dịch tần Doppler. Trong khi đó hệ thống LTE sử dụng kỹ thuật điều chế trực giao đa sóng mang con OFDM điều chế tín hiệu. Mà OFDM lại rất nhạy cảm với dịch tần Doppler, vì nó có thể làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con gây ra ICI làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống.Nên việc nghiêu cứu ƣớc lƣợng và bù tần số Doppler đang là chủ đề đƣợc các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Luận án của nghiên cứu sinh cũng tập trung vào nghiên cứu vấn đề Doppler này. 1.3. Các nghiên cứu về CFO/ICI trong thông tin vô tuyến HSR Đối với tín hiệu miền thời gian , - một CFO của gây ra độ dịch pha là , tỷ lệ thuận với và chỉ số thời gian n. Lƣu ý rằng nó tƣơng đƣơng với một sự thay đổi tần số là - trên tín hiệu tần số miền , -. Đối với tín hiệu truyền là , - hiệu quả của trên tín hiệu thu đƣợc , - đƣợc tóm tắt trong bảng 1.4. Bảng 1.1.Ảnh hưởng của CFO trong tín hiệu nhận được[39] Tín hiệu máy thu Ảnh hƣởng của CFO trên tín hiệu máy thu Tín hiệu miền thời gian , - , - Tín hiệu miền tần số , - , - Mối liên quan giữa CFO và SNR Theo [40] dịch tần Doppler gây ảnh hƣởng tới SNR thể hiện trong biểu thức sau: 2 0 10 ( fT) 3ln10 b freq E D N   (1.5) Trong đó Dfreq(Hz), T(s), Eb và N0 lần lƣợt là Dịch tần Doppler, chu kỳ symbol của tín hiệu OFDM, năng lƣợng trên bit và mật độ phổ công suất nhiễu. Ảnh hƣởng của dịch tần Doppler tƣơng tự nhƣ ảnh hƣởng của nhiễu vì nó gây ra suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu. 6 Các nghiên cứu về CFO/ICI Có nhiều nghiên cứu về CFO trƣớc đây và những nghiên cứu này có thể đƣợc phân thành hai nhánh chính: nhánh một là các phƣơng pháp ƣớc lƣợng và bù CFO trong miền thời gian hay còn gọi là ƣớc lƣợng và bù trƣớc FFT và nhánh thứ hai là các phƣơng pháp tiếp cận trên miền tần số hay còn gọi là sau FFT. Phƣơng pháp trƣớc FFT yêu cầu tính toán ít hơn vì không cần xử lý FFT nên việc ƣớc lƣợng và bù CFO nhanh hơn. Cả hai nhánh trên chỉ phù hợp với đầu cuối di chuyển tốc độ thấp còn khi tàu di chuyển tốc độ nhanh với yêu cầu khắt khe hơn về cả thời gian và chất lƣợng thì các phƣơng pháp này không còn phù hợp. Phƣơng pháp chính ƣớc lƣợng CFO trong OFDM với kênh thời gian thay đổi nhanh Phƣơng pháp tỉ lệ vƣợt mức cải tiến LCR (level crossing rate), ƣớc lƣợng CFO trong miền tần số [13] nên khối lƣợng tính toán nhiều và phức tạp.Phƣơng pháp khả năng tối đa ML [14]: Cũng thực hiện trong miền tần số nên khó ứng dụng vào thực tế. Phƣơng pháp hàm tƣơng quan: ƣớc lƣợng dựa vào các CP, không cần thêm pilot hay symbol qua kênh Rayleigh[15]. Tuy nhiên với SNR thấp độ chính xác không cao. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng dựa trên việc ƣớc lƣợng kênh [16], đề xuất này chỉ hiệu quả với tần số Doppler thấp. Các nghiên cứu đã công bố về CFO trong LTE-R những năm gần đây Gần đây có một công trình nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới đề xuất việc xử lý ICI trong đƣờng sắt tốc độ cao nhƣ. (1). Ƣớc lƣợng và bù tần số Doppler trong LTE-R [57]: phƣơng pháp này ƣớc lƣợng CFO trong tín hiệu nhận đƣợc sau đó truyền giá trị CFO này về cho EnodeB, EnodeB lấy giá trị CFO vừa nhận đƣợc bù trƣớc cho tín hiệu truyền đi. Tuy nhiên phƣơng pháp này chƣa khẳng định độ chính xác. (2).Ƣớc lƣợng tần số Doppler trong HSR sử dụng anten tuyến tính phạm vi lớn. Trong đề xuất này mô hình kênh lý thuyết đƣợc xây dựng với hệ số kênh, hƣớng sóng đến (DOA) và sự thay đổi Doppler trong hệ thống thông tin vô tuyến HSR với ăng-ten thu tuyến tính lớn. Uớc lƣợng tần số Doppler dựa trên DFT để tái tạo lại tín hiệu nhận đƣợc. Một thuật toán xoay pha đã đƣợc đề xuất cải thiện độ chính xác của việc ƣớc lƣợng này. Phƣơng pháp này độ chính xác cao nhƣng phải sử dụng nhiều anten nên giá thành cao. Ngoài ra việc xử lý tín hiệu ở băng tần cơ sở nên độ phức tạp tính toán còn lớn [58] (3).Tối thiểu hóa tần số Doppler trong HSR sử dụng anten định hƣớng [59]. Phƣơng pháp này đề xuất việc triệt dịch tần Doppler ở trong tín hiệu tới máy thu đặt trên tàu bằng cách trang bị anten định hƣớng ở trên đầu tàu và đuôi tàu nhƣ trong hình 1-12 hoặc trang bị anten định hƣớng nhƣ trên hình 1-13. Các ENode B đặt dọc đƣờng ray và đƣợc trang bị anten hai hƣớng nhƣ trên hình 1-14. Phƣơng án đề xuất này triệt đƣợc phần lớn dịch tần Doppler tuy nhiên khi một trong hai anten chuyển giao thì tần số Dopper không đƣợc xử lý. (4).Khử ICI dựa trên bộ san bằng kênh thích nghi cho kênh biến đổi nhanh trong LTE-R [60]. Bài báo đề xuất một phƣơng pháp san bằng kênh thích nghi nhằm triệt nhiễu liên kênh ICI trong hệ thống LTE-R sử dụng công nghệ OFDM. Trong đó tác giả đã sử dụng phỏng tạo kênh biến thiên nhanh theo thời gian theo kịch bản, mô hình WINNER II [57]. Trong phƣơng pháp này chuỗi huấn luyện tối ƣu đƣợc sử dụng và phƣơng pháp san bằng kênh thích nghi đề xuất ở bên thu. Phƣơng pháp này vẫn xử lý tín hiệu băng gốc ở bên thu do đó đòi hỏi tốc độ xử lý khá nhanh để thích nghi với điều kiện kênh truyền trong hệ thống LTE-R. Tuy nhiên phƣơng pháp này có độ phức tạp tính toán vẫn cao và chƣa triển khai trên phần cứng để kiểm nghiệm tính khả thi của đề xuất. Phƣơng pháp này không bù dịch tần Doppler trong hệ thống LTE-R do đó vẫn xảy ra dịch tần Doppler tại bên thu làm cho chất lƣợng hệ thống bị suy giảm. Đƣờng truyền thông tin vô tuyến giữa đoàn tầu và mặt đất là nút thắt trong hệ thống thông tin vô tuyến trong đƣờng sắt tốc độ cao. Vì vậy để ứng dụng đƣợc LTE trong HSR thì việc nghiên cứu dịch tần Doppler là một trong những công việc thiết yếu. Trong luận án này nghiên cứu ảnh hƣởng của dịch tần Dopler trong HSR sau đó đề xuất mô hình, thuật toán để triệt, bù dịch tần Doppler trong HSR. Các nội dung này đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng 2 và chƣơng 3. 7 CHƢƠNG 2. ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆU ỨNG DOPPLER VÀ MÔ HÌNH TRIỆT, BÙ CFO TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN HSR 2.1. Khái quát chung Việc nghiên cứu đặc tính của dịch tần Doppler trong đƣờng sắt tốc độ cao là một trong những công việc quan trọng nhất của hệ thống tin vô tuyến bởi vì nó không những là nguyên nhân gây ra mất trực giao của các sóng mang con gây ra ICI ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống mà nó còn ảnh hƣởng đến sự chính xác và tin cậy trong việc mô hình hóa kênh trong thông tin vô tuyến HSR cũng nhƣ ảnh hƣởng đến điều khiển tàu 2.2. Dịch tần Doppler trong thông tin vô tuyến đƣờng sắt tốc độ cao Phân tích sự dịch tần Doppler trong HSR Phần này phân tích đặc tính dịch tần Doppler theo ngữ cảnh thực tế của đƣờng sắt nhƣ : Tàu luôn di chuyển trên đƣờng ray cố định và hƣớng di chuyển của tàu đã biết trƣớc.Tốc độ của tàu thay đổi chứ không là hằng số nhƣ giả thiết của các nhà nghiên cứu trƣớc đây. Trong phần nghiên cứu này nghiên cứu 4 trƣờng hợp điển hình thay đổi vận tốc trong thực tế đƣờng sắt. Trƣờng hợp 1 là tàu tăng tốc khi rời ga với gia tốc a = 0,5m/s2 cho đến khi đạt vận tốc 100m/s. Trƣờng hợp 2 khi tàu chạy với vận tốc không đổi 100m/s. Trƣờng hợp 3 khi tàu đang chạy với vận tốc 100m/s thì giảm tốc độ với gia tốc a= -0,6m/s2 khi về tới ga. Trƣờng hợp 4 là tàu đang chạy với vận tốc 100m/s thì giảm tốc đột ngột với gia tốc a= -0,9m/s2 khi tàu gặp sự cố. Trong cả 4 trƣờng hợp, khi tàu di chuyển hiệu ứng Doppler sinh ra dịch tần Doppler và giá trị dịch tần này sẽ thay đổi theo thời gian đƣợc thể hiện bằng biểu thức (2.1). Trong biểu thức này là tần số Doppler (Hz), là tần số sóng mang (Hz), là vận tốc chạy tàu (km/h), (m/s), c là vận tốc ánh sáng ( 3.108 m/s), ( ) là góc hợp bởi hƣớng di chuyển của tàu và đƣờng nối từ tàu tới BS. ( ) ( ) ( ) (2.1) Mô phỏng và kết quả Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab với kênh mô phỏng là kênh Rician và các thông số thực tế của đƣờng sắt cao tốc nhƣ bảng 2.1 Bảng 2.1.Các thông số mô phỏng dịch tần Doppler Thông số Giá trị Bán kính cell 1000 m Chiều cao anten trên tàu 3.5m Chiều cao anten Ru 6m Khoảng cách giữa Ru và đƣờng ray 5m Vận tốc cao nhất của tàu v=100 m/s = 360 km/h Số sóng mang con N=2048 Phƣơng thức điều chế QPSK Khoảng cách giữa các sóng mang con =7.5 kHz Tần số lấy mẫu 15.36 MHz Tần số sóng mang 2.6 GHz Khoảng bảo vệ ¼ chu kỳ Sybol Tần số Doppler lớn nhất 866 Hz Kênh truyền Rician với K=8 Kết quả mô phỏng cho 4 trƣờng hợp điển hình thay đổi vận tốc nhƣ sau. Trƣờng hợp 1 tàu tăng tốc với gia tốc tăng a =0,5m/s2 8 Hình 2-2.Dịch tần Dopper với a =0,5m/s2 Hình 2-3. BER với a =0,5m/s2 Trƣờng hợp 2: Tàu chạy với vận tốc không đổi Hình 2-4. Dịch tần Doppler với v không đổi 9 Hình 2-5.BER với vận tốc không đổi Trƣờng hợp 3: Tàu chạy giảm tốc với gia tốc a =- 0,6m/s2 Hình 2-6.Dịch tần Dopper với a =- 0,6m/s2 Hình 2-7.BER với a =- 0,6m/s2 10 Trƣờng hợp 4: Tàu giảm tốc đột ngột với gia tốc a = - 0,9/s2 Hình 2-8. Dịch tần Dopper với a = - 0,9/s2 Hình 2-9. BER với a =- 0,9/s2 Qua 4 trƣờng hợp trên ta thấy rằng giá trị tần số Doppler luôn thay đổi theo vận tốc. Khi tàu gặp bất kì tình huống nguy hiểm nào thì tần số Doppler của nó vẫn có giá trị nhỏ nhất trong 4 trƣờng hợp trên và nó nhanh chóng về 0 và giá trị tần số Doppler là lớn nhất khi tàu chạy với vận tốc cao nhất. Ảnh hƣởng của dịch tần Doppler đến chất lƣợng hệ thống tƣơng đối lớn cần phải có giải pháp giảm, triệt dịch tần này. Với bốn đồ thị BER của 4 trƣờng hợp thay đổi vận tốc của tàu dẫn đến dịch tần Doppler thay đổi, dịch tần Doppler càng lớn thì BER càng cao. BER lớn nhất ứng với trƣờng hợp giá trị tần số Doppler cao nhất khi tàu chạy ở tốc độ cao nhất, điều này là phù hợp với lý thuyết. 2.3.Triệt dịch tần Doppler sử dụng 4 anten định hƣớng Mô hình hệ thống Hệ thống thông tin vô tuyến trong đƣờng sắt tốc độ cao đƣợc chia thành hai vòng nhƣ đã trình bày ở mục 1.2 và phạm vi luận án này nghiên cứu đƣờng truyền thông tin từ mặt đất đến điểm truy nhập trên đoàn tàu đƣợc thể hiện cụ thể trong Hình 2-11 phía dƣới. 11 Hình 2-11.Mô hình hệ thống sử dụng 4 anten định hướng trên tàu Ở đây, các anten định hƣớng đƣợc sử dụng cho cả trên E-NodeB (hay RU) và trên tàu. Các E- NoedB trang bị 2 anten định hƣớng đối diện nhau, mỗi anten sẽ hƣớng về một phía trên đƣờng ray. Trên tàu đƣợc thiết kế sử dụng 4 anten định hƣớng, anten đầu tàu 1 và anten đầu tàu 2 đặt ở đầu tàu lần lƣợt sử dụng cho đƣờng truyền phía trƣớc và phía sau, anten đuôi tàu 1 và anten đuôi tàu 2 đƣợc đặt ở đuôi tàu để sử dụng cho đƣờng truyền phía trƣớc và phía sau. Hai cặp anten đầu tàu và đuôi tàu kết nối với 2 trạm E-NodeB thông qua 2 đƣờng truyền khác nhau do vậy việc sử dụng các cặp anten định hƣớng là cần thiết để tránh nhiễu liên đƣờng (cross link interference). Với phƣơng án bố trí anten trên tàu này ngoài triệt đƣợc tần số Doppler nhƣ thể hiện ở phần kết quả dƣới đây thì nó còn đảm bảo đƣợc việc không mất kết nối giữa E-NodeB và thiết bị truy nhập trên tàu khi xảy ra chuyển giao. Vì khi 2 anten ở đầu tàu lần lƣợt chuyển giao tới E-NodeB kế tiếp thì 2 anten ở cuối tàu vẫn đang trong vùng phủ sóng của E-NodeB hiện tại. Các anten cùng đặt trên tàu nên chúng có cùng vận tốc với nhau và cùng bằng vận tốc của tàu khi di chuyển. Vì thế, thành phần ảnh hƣởng chính đến độ dịch tần Doppler chính là giá trị của . Vậy thêm vào thiết bị chuyển mạch để lựa chọn 2 trong 4 anten làm việc dựa vào vị trí của tàu sao cho anten đầu tàu i và anten đuôi tàu j có thì hoặc Thiết bị chuyển mạch sẽ lựa chọn anten làm việc theo thời điểm nhất định tùy vào vị trí của tàu. Khi tàu đi vào vùng không gian mà tại đó các anten sẽ xảy ra quá trình chuyển giao, khối chuyển mạch sẽ hoạt động để lựa chọn sao cho đầu ra đƣa vào bộ giải điều chế là tín hiệu đã đƣợc bù dịch tần Doppler. Lƣu đồ thuật toán Bƣớc 1: Vị trí của tàu luôn đƣợc xác định nhờ các thiết bị xác định vị trí đoàn tàu đƣợc trang bị trên tuyến đƣờng nhƣ các bộ phát đáp (transponder), cờ (tags), balise đặt tại đƣờng ray. Bƣớc 2: Thuật toán lựa chọn và xử lý tín hiệu: If then Input=head1 + head2; Else if then Input = tail1+tail2; Else Input= head1+ tail2. Bƣớc 3: Tín hiệu output đƣợc triệt tiêu dịch tần Doppler và đƣa vào bộ giải điều chế tại tần số 2fc. Mô phỏng và kết quả Trong mô hình đề xuất này sử dụng các tham số mô phỏng nhƣ bảng 2.2 dƣới đây. Bảng 2.2.Thông số mô phỏng mô hình 4 anten Thông số Giá trị Tần số 2.6 GHz Chiều cao anten RU 6.5 m Chiều cao Anten AP trên tàu 3 m 12 Loại Anten Anten định hƣớng Chiều dài của tàu 200 m Khoảng cách giữa hai RU 1000 m Tốc độ tàu 150 m/s Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab về đƣờng cong Doppler trong các anten đặt trên tàu và đƣờng cong Doppler còn lại sau khi sử dụng phƣơng pháp triệt đề xuất đƣợc thể hiện ở các Hình 2-16, Hình 2-18 Hình 2-16.Tần số Doppler tại hai anten đầu tàu Đƣờng cong tần số Dopple của anten đầu tàu 1(Head 1Ant) và anten đầu tàu 2 (Head 2Ant) đƣợc thể hiện ở Hình 2-16. Qua hình này thấy rằng giá trị của tần số Doppler trong tín hiệu ở Anten đầu tàu 1 và Anten đầu tàu 2 là bằng nhau chỉ ngƣợc nhau về dấu và cùng bằng 0 khi cả hai Anten chuyển giao. Đƣờng cong Doppler trong tín hiệu của Anten đuôi tàu 1(Tail 1 Ant) và Anten đuôi tàu 2 (Tail 1 Ant) cũng này giống với hai đƣờng cong Doppler trong hai Anten đầu tàu chỉ khác ở điểm bằng không khi chuyển giao. . Hình 2-18. Độ dịch tần Doppler trong tín hiệu mô hình đề xuất Hình 2-18 thể hiện giá trị tần số Doppler ở đầu ra của bộ chuyển mạch, đây là tần số sẽ ảnh hƣởng lên tín hiệu truyền tới đầu cuối thiết bị sử dụng. Qua đây ta thấy tần số Doppler chỉ còn lại lớn nhất là 0.3978 Hz chỉ chiểm 5%, còn lại giá trị tần số Doppler bằng 0 ở hầu hết quá trình tàu di chuyển. Với mô hình này tín hiệu thu đƣợc sau thiết bị chuyển mạch có độ dịch tần Doppler rất nhỏ (gần nhƣ bằng 0) trên toàn bộ quãng đƣờng di chuyển của tàu. Điều này làm cho luồng dữ liệu giải điều chế đƣợc mà không mất tính trực giao của tín hiệu OFDM nhƣ thế sẽ không gây ra ICI trong hệ thống. Tuy nhiên phƣơng pháp này cần sử dụng 4 anten định hƣớng trên tàu cao tốc, để giảm anten trên tàu phần dƣới đây sẽ đề xuất phƣơng án sử dụng 3 anten và cho kết quả tƣơng tự nhƣ việc sử dụng 4 anten. 2.4.Triệt dịch tần Doppler sử dụng 3 anten định hƣớng Mô hình hệ thống Để giảm bớt số Anten trên tàu phần này đề xuất mô hình sử dụng 3 anten trên tàu với mô hình hệ thống đƣợc thể hiện trong Hình 2- 19 và mô hình kênh tƣơng tự nhƣ đề xuất sử dụng 4 anten định hƣớng trình bày ở mục 2.3.2 phía trên 13 Hình 2-19. Mô hình hệ thống đề xuất Hình 2-19 mô tả mô hình đề xuất với 2 anten định hƣớng đƣợc đặt ở mỗi RU hƣớng về hai phía đối diện để bao phủ dọc đƣờng tàu và 3 anten định hƣớng đƣợc trang bị trên tàu, anten đầu tàu (Head) đƣợc đặt ở phía trƣớc của tàu nhằm kết nối với RU phía trƣớc, anten giữa tàu(Middle) đƣợc đặt ở chính giữa tàu, anten đuôi tàu (Tail) đƣợc thiết lập ở đuôi tàu nhằm kết nối với RU phía sau. Bằng việc sắp xếp các anten nhƣ trên, khi tàu chạy từ trái qua phải trên đƣờng tàu, 2 trong 3 anten sẽ đƣợc kết nối với 2 RU khác nhau để tránh can nhiễu chéo. Khi tàu chạy qua RU, quá trình chuyển giao sẽ không xảy ra một cách đồng thời. Mô phỏng và kết quả Để kiểm chứng tác dụng của mô hình đề xuất nghiên cứu sinh sử dụng phần mềm Matlab với các thông số mô phỏng nhƣ trong bảng 2.2 của mô hình sử dụng 4 anten định hƣớng và kết quả đƣợc thể hiện nhƣ trong Hình 2-22 và Hình 2-24 Hình 2-22. Dịch tần Doppler tại anten đầu tàu và đuôi tàu Hình 2-22 thể hiện đƣờng cong Doppler tại Anten đầu tàu và đuôi tàu, giá trị của hai đƣờng gần nhƣ bằng nhau chỉ khác nhau ở điểm bằng 0 khi Anten đó lần lƣợt chuyển giao. Hình 2-24.Dịch tần Doppler tại đầu ra bộ chuyển mạch 14 Trong Hình 2-24, dịch tần Doppler tác động lên toàn bộ các sóng mang trong hệ thống. Tỉ lệ phần trăm giá trị Doppler thu đƣợc từ 0.25 đến 0.3978 Hz là 5%. Dịch tần Doppler bằng 0 đạt xác xuất khoảng 95%. Nhƣ vậy đề xuất này đạt hiệu quả triệt tần số Doppler tƣơng tự với phƣơng án sử dụng 4 anten trình bày phía trên. 2.5. Bù dịch tần Doppler tại thiết bị chuyển tiếp trên tàu Mô hình hệ thống bù Doppler Mô hình chúng tôi đề xuất ở Hình 2-26 có thể bù đƣợc dịch tần Doppler. Hình 2-26.Mô hình hệ thống thực tế Mô hình hệ thống trong Hình 2-26 cho thấy có thêm vào khối AP bù dịch tần Doppler. Ở bên phát, dữ liệu từ E-Node-B đƣợc chia thành các dòng bit, điều chế băng cơ sở rồi đƣa qua khối nối tiếp song song. Tín hiệu ra từ khối IFFT đƣợc chèn thêm CP và đi qua bộ DAC để tạo ra tín hiệu OFDM. Bởi vì khoảng cách giữa E-Node-B và AP là ngắn, tàu luôn chạy trong vùng ngoại ô nên tín hiệu truyền đi luôn tồn tại thành phần LoS. Vì vậy, kênh Rician đƣợc áp dụng theo nhƣ kịch bản D2A WINNER II. Dịch tần Doppler đƣợc xác định và bù ngay tại thiết bị AP hay thiết bị chuyển tiếp trên tàu. Quá trình này đƣợc mô tả nhƣ sau: Đầu tiên, tín hiệu nhận đƣợc tại AP đi qua bộ lọc thông dải (BPF1) và bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), sau đó đƣợc phân làm 2 nhánh: Nhánh 1: tín hiệu thu đƣợc có tần số đi vào cổng vào của khối trộn tần Mixer 1. Bộ tạo dao động nội sinh ra tần số sóng mang , nó cũng đƣợc đi vào khối Mixer 1. Với bộ trộn lý tƣởng, tần số đầu ra bộ trộn sẽ là và . Sau đó tín hiệu đầu ra đó đi qua bộ lọc thông thấp (LPF), chúng ta có đƣợc tín hiệu có tần số . Nhánh 2: Tín hiệu với tần số đi vào bộ trộn Mixer 2. Tại khối này, tín hiệu này đƣợc trộn với tín hiệu có tần số ở nhánh 1. Vì vậy, tín hiệu đầu ra thu đƣợc qua bộ Mixer 2 là , . Sau khi sử dụng bộ lọc thông dải (BPF2), tín hiệu có tần số đƣợc truyền qua, tín hiệu bị loại bỏ. Kết quả mô phỏng Bảng 2.3.Tham số mô phỏng cho mô hình bù Thông số Giá trị Bán kính cell 1000 m Tốc độ tàu v=150 mps = 540 kph Tổng số kênh con N=1024 Phƣơng pháp điều chế BPSK Độ rộng kênh con =15 kHz Tần số lấy mẫu 15.36 MHz Tần số sóng mang 2.6 GHz Khoảng bảo vệ ¼ chu kỳ Symbol Tần số Doppler 1300 Hz Kênh truyền AWGN, Rician (K=2, K=8) 15 Khi tốc độ tàu đạt giá trị cực đại là v, dịch tần Doppler là Vì mô hình mô phỏng tại băng gốc với khoảng cách giữa các sóng mang con là =15 kHz, CFO có thể đƣợc tính toán theo biểu thức: (2.58) Hình 2-28.Tỉ lệ lỗi bit(BER) của hệ thống qua kênh Rician với K=2 Kết quả mô phỏng BER qua kênh Rician với K=2 ta thấy rằng, sau khi có bù Doppler chất lƣợng hệ thống đƣợc cải thiện rõ rệt tuy chƣa trùng với đƣờng cong lý thuyết do môi trƣờng truyền là đa đƣờng. Hình 2-29.Tỉ lệ lỗi bit(BER) của hệ thống khi qua kênh Rician với K=8 Từ kết quả mô phỏng ta thấy với kênh truyền Rician, khi K càng tăng thì đƣờng cong BER sau khi bù Doppler càng gần với đƣờng cong BER lý thuyết và hiệu năng hệ thống đƣợc cải thiện rõ rệt. Trong mô hình này đề xuất việc bù dịch tần Doppler bằng cách thêm tần số sóng mang fc tại AP không cần sử dụng Pilot trong khung dữ liệu. So sánh với tín hiệu không Doppler, BER của tín hiệu mô phỏng đã đƣợc cải thiện. Nhƣ vậy phƣơng pháp chúng tôi đề xuất đã bù đƣợc dịch tần Doppler tại anten thu bên ngoài tàu cho chất lƣợng tín hiệu tốt hơn đáng kể. Ở chƣơng này đề xuất các mô hình triệt, bù Doppler bằng thay đổi phần cứng cũng nhƣ bố trí các anten định hƣớng trên tàu còn sang chƣơng 3 nghiên cứu sinh đề xuất thuật toán ƣớc lƣợng và bù CFO bằng xử lý tín hiệu để triệt nhiễu ICI trong thông tin vô tuyến HSR. 16 CHƢƠNG 3. THUẬT TOÁN TRIỆT NHIỄU ICI TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐƢỜNG SẮT TỐC ĐỘ CAO 3.1. Khái quát chung Chƣơng 2 đã đề xuất mô hình triệt Doppler trong HSR bằng cách bố trí anten hợp lý và thêm vào khối lựa lựa chọn anten làm việc theo vị trí chạy tàu. Chƣơng 2 cũng đề xuất mô hình bù dịch tần Doppler bằng việc thay đổi cấu trúc thiết bị chuyển tiếp đặt trên tàu thêm vào một khối AP. Trong chƣơng này đề xuất phƣơng pháp ƣớc lƣợng và bù CFO sử dụng CP (Cyclic- Prefix) và phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO kép nhằm giảm ICI bằng việc sử dụng thuật toán ƣớc lƣợng và bù dịch tần Doppler cho hệ thống HSR. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO kép này dựa vào phần mào đầu khung của dữ liệu trong thông tin giữa EnodeB và ngƣời sử dụng. Kết quả mô phỏng chỉ ra hiệu suất của hệ thống đã đƣợc cải thiện bằng việc sử dụng các mô hình đề xuất này. 3.2.Uớc lƣợng và bù CFO sử dụng CP trong HSR Mô hình đề xuất CFO có thể tìm đƣợc từ góc pha: ̅ * , - , -+ với n -1,-2,- . (3.4 ) Để giảm tác động của CFO, chúng ta có thể thực hiện trung bình cộng các mẫu trong khoảng độ dài CP nhƣ sau: ̂ {∑ , - , - } (3.5) Phạm vi của ƣớc lƣợng CFO trong biểu thức (3.5) là:[ , )/2 = [-0.5, 0.5] vì vậy | <0.5, bởi vì hàm arg( ) đƣợc tiến hành bằng việc sử dụng hàm tan-1( ). Vì thế, kỹ thuật này là hữu ích cho việc ƣớc lƣợng phần phân số CFO. Kỹ thuật CP đƣợc mô tả nhƣ Hình 3-2. Hình 3-2. Mô hình đề xuất dựa trên kịch bản thực tế Đầu tiên, tín hiệu nhận đƣợc tại bên thu sẽ đi qua khối RF (lọc, khuếch đại tạp âm thấp, hạ tần) và khối ADC. Tín hiệu sau đó đƣợc chia thành 2 nhánh. Nhánh thứ 1 tín hiệu đi vào khối ƣớc lƣợng và nội suy CFO. Trong khối này, CFO đƣợc ƣớc lƣợng theo nhƣ biểu thức (3.5). Nhánh thứ 2 khối bù CFO gồm 2 đầu vào: một là đầu ra của khối ADC, một là đầu ra của khối ƣớc lƣợng và nội suy CFO. Tại khối bù CFO, tín hiệu sẽ đƣợc bù với giá trị CFO thu đƣợc từ khối ƣớc lƣợng và nội suy CFO nhƣ biểu thức (3.6). , - , - (3.6) Sau khối này, tín hiệu thu đƣợc đã đƣợc bù CFO. Kết quả mô phỏng đƣợc minh họa bên dƣới. Kết quả mô phỏng Để đánh giá quá trình ƣớc lƣợng và bù CFO với tốc độ thay đổi sử dụng thuật toán CP, các thông số trong Bảng 3.1 và mô hình kênh Rician đƣợc áp dụng để mô phỏng thông qua phần mềm Matlab 17 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật mô phỏng Thông số Giá trị Bán kính cell 1000 m Độ cao anten trên tàu 3.5m Độ cao anten RU 6m Khoảng cách giữa đƣờng và RU 5m Tốc độ tàu v=150 m/s = 540 km/h Tổng số kênh con N=128 Phƣơng pháp điều chế PSK Độ rộng kênh con =15 kHz Tần số sóng mang 2.6 GHz Khoảng bảo vệ ¼ chu kỳ Symbol Kênh truyền AWGN, kênh Rician với (K=8, K=20) Qúa trình chạy tàu trải qua 4 trƣờng hợp thay đổi vận tốc điển hình nhƣ đã trình bày ở chƣơng 2 nhƣ sau: Tăng tốc, không đổi, giảm tốc về ga, giảm tốc đột ngột. Trƣờng hợp 1: Tàu tăng tốc khi rời ga với gia tốc a= 0,5m/s2 kết quả thể hiện ở Hình 3-3 và . : Hình 3-3. Đường cong ước lượng CFO với gia tốc a = 0,5m/s2 qua kênh Rician Hình 3-3 cho thấy giá trị CFO ƣớc lƣợng đƣợc tr