Bài viết Phân tích dung lượng kênh MIMO cho hệ thống thông tin điều khiển tàu thực hiện phân tích dung lượng kênh MIMO cho hệ thống thông tin CBTC dùng truyền thông WLAN trong môi trường đường ray ngầm với các địa hình khác nhau. Mô hình kênh truyền Nakagami-m phục vụ tính toán được xây dựng với các tham số ước lượng từ dữ liệu đo kênh thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo!
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Phân tích dung lượng kênh MIMO cho hệ thống thông tin điều khiển tàu Đỗ Việt Hà∗ , Trịnh Thị Hương∗ ∗ Khoa Điện-Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Email: {dovietha, trinhhuong}@utc.edu.vn Tóm tắt—Hệ thống thơng tin điều khiển tàu CBTC (Communication-Based Train-Control) cần có dung lượng độ tin cậy cao để đảm bảo an toàn cho truyền thông tàu điểm truy nhập vô tuyến AP (access point) bên đường Kỹ thuật đa anten MIMO (multiple-input multipleoutput) áp dụng rộng rãi cho CBTC dùng truyền thông WLAN nhằm nâng cao hiệu hệ thống điều khiển tàu Tuy nhiên, nghiên cứu dung lượng kênh MIMO CBTC cịn dung lượng kênh thông số quan trọng đánh giá, thiết kế triển khai WLAN cho CBTC, đặc biệt mơi trường truyền sóng vơ tuyến tàu di chuyển AP, giá trị SNR (signal-to-noise ratio) thay đổi liên tục dẫn đến vấn đề trễ chuyển giao tỷ lệ gói tin Trong báo này, chúng tơi thực phân tích dung lượng kênh MIMO cho hệ thống thơng tin CBTC dùng truyền thông WLAN môi trường đường ray ngầm với địa hình khác Mơ hình kênh truyền Nakagami-m phục vụ tính tốn xây dựng với tham số ước lượng từ liệu đo kênh thực tế Các kết mô dung lượng kênh, công suất phát cần thiết cho môi trường truyền sóng khác giúp lựa chọn thơng số phù hợp thiết kế hệ thống vô tuyến nhằm đảm bảo yêu cầu cho truyền thông CBTC Từ khóa—CBTC, MIMO, WLAN, dung lượng kênh, mơ hình kênh I GIỚI THIỆU Công nghệ truyền thông không dây phát triển nhiều năm sẵn sàng để đáp ứng nhu cầu ngày cao dịch vụ truyền thông để điều khiển, vận hành bảo trì hệ thống giao thơng thơng minh Một số cơng nghệ truyền thông vô tuyến nghiên cứu dùng hệ thống thông tin điều khiển tàu CBTC (Communication-Based Train-Control) gồm: GSM-R, TETRA, LTE-R công nghệ 4G/5G, IEEE 802.11 WLAN hay cịn gọi Wi-Fi Trong chuẩn WLAN chiếm ưu với lý gồm: dải tần ISM không cần cấp phép, nhiều nhà cung cấp hỗ trợ kỹ thuật, giá thành rẻ [1], [2] Công nghệ đa anten thu phát MIMO (multiple-input multiple-output) sử dụng rộng rãi đường truyền vô tuyến WLAN ISBN 978-604-80-7468-5 376 để đáp ứng phát triển nhanh chóng ứng dụng Sự kết hợp nhiều phần tử anten với khả hoạt động đa dải tần điểm truy nhập vô tuyến AP đem lại hiệu truyền thông vô tuyến mong muốn cho ứng dụng hệ thống CBTC [3] Với sẵn có thiết bị WLAN thị trường với tiêu chuẩn IEEE 802.11 mở hỗ trợ tính di động, cơng nghệ WLAN xem xét để thực truyền thông cho hệ thống CBTC nhiều quốc gia Một số hệ thống CBTC dựa mạng WLAN triển khai tuyến Đông Bắc Singapore (thiết bị Alstom) tuyến tàu điện ngầm Thượng Hải (thiết bị Alcatel) Tuy nhiên, đặc tính kênh truyền vơ tuyến WLAN suy hao, hiệu ứng pha đinh, hiệu ứng Doppler mơi trường đường sắt thị khác ảnh hưởng đến độ trễ phân phát gói tin AP bên đường tàu gây tượng phanh tàu không cần thiết liên lạc Hơn nữa, hạn chế vùng phủ sóng AP, tàu chạy cần chuyển từ AP sang AP khác để đảm bảo chất lượng liên lạc Quy trình chuyển giao AP dẫn đến độ trễ truyền dài Do đó, nhiều nghiên cứu tập trung vào đề xuất giải pháp để cải thiện hiệu hệ thống CBTC [4] Phân tích dung lượng kênh MIMO cần thiết nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền thông vô tuyến [5] Các đặc tính tương quan pha đinh kênh ảnh hưởng kênh lên hiệu hệ thống phân tích thơng qua dung lượng kênh Tuy nhiên, theo hiểu biết nhóm tác giả, có nghiên cứu khảo sát dung lượng MIMO cho hệ thống CBTC dùng WLAN Trong [6], khảo sát, đánh giá ảnh hưởng đoạn cong đường hầm tàu điện ngầm lên dung lượng kênh MIMO Tuy nhiên, mơ hình kênh mơ tả hình học dùng phần mềm mô dựa ray-tracing, chưa áp dụng cho kênh đo thực tế đường sắt Hơn nữa, mức tín hiệu tạp âm SNR công suất phát giữ cố định phân tích, thơng số có ảnh hưởng quan trọng khảo sát dung lượng kênh Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Trong hệ thống CBTC, tàu di chuyển AP, tỷ lệ SNR thay đổi liên tục dẫn đến vấn đề trễ chuyển giao tỷ lệ gói tàu khỏi vùng phủ sóng AP vào vùng phủ sóng AP khác dọc theo tuyến đường sắt [7] Do đó, cần điều khiển cơng suất để đảm bảo trì mức SNR dọc tuyến, giảm độ phức tạp thuật toán xử lý vấn đề chuyển giao (handoff) WLAN hệ thống CBTC Trong [8], [9], nghiên cứu dùng kỹ thuật MIMO hỗ trợ chế handoff vùng phủ sóng AP cho truyền thông tàu mặt đường hệ thống CBTC dùng WLAN Tỷ lệ lỗi khung truyền FER khảo sát với tốc độ truyền liệu khác AP tàu, nhiên thông số hệ thống cần thiết để đảm bảo tốc độ liệu số anten thu phát MIMO, công suất phát, cự ly truyền với kịch khác chưa xét đến Đa phần nghiên cứu thiết kế cải tiến chất lượng truyền thông vô tuyến hệ thống CBTC giả thiết tốc độ liệu công suất phát giá trị cố định mà khơng có khảo sát kỹ lưỡng điều kiện đảm bảo giá trị tìm giá trị thích ứng với kịch truyền sóng khác đường sắt Mơ hình thuật tốn tối ưu tài ngun vơ tuyến cho truyền thông vô tuyến CBTC xây dựng [10] Trong mơ hình này, thơng số SINR (Signalto-interference-plus-noise ratio) khảo sát với cự ly 700 m tàu trạm phát bên đường, nhiên mức công suất phát trạm gốc (46 dBm) hay thiết bị thu phát tàu (23 dBm) đặt cố định Trong nghiên cứu xác định vị trí điểm đặt AP dọc đường ray để đảm bảo chất lượng truyền thông CBTC dùng WLAN [3], [11], [12], tiêu xác suất dừng OP (Outage Probability) tính tốn phục vụ tốn tối ưu với thơng số mô gồm tốc độ liệu, công suất phát cố định cho địa hình truyền sóng khác dọc theo đường ray Tóm lại, cịn thiếu nghiên cứu dung lượng kênh truyền MIMO dùng WLAN cho CBTC dung lượng kênh truyền ảnh hưởng lớn đến việc thiết kế hệ thống Bên cạnh đó, theo hiểu biết nhóm tác giả, khảo sát công suất phát để đáp ứng mức SNR phục vụ truyền thông vô tuyến tin cậy cho CBTC điều kiện truyền sóng cụ thể chưa quan tâm Do đó, báo tập trung phân tích dung lượng kênh MIMO cho hệ thống CBTC dùng truyền thơng WLAN dựa mơ hình kênh xây dựng từ liệu đo thực tế ga tàu điện ngầm Hơn giá trị công suất phát cần thiết để đáp ứng mức SNR máy thu điều kiện truyền sóng khác đường hầm ISBN 978-604-80-7468-5 377 khảo sát tính tốn Phần cịn lại báo tổ chức sau Trong phần II phần III, chúng tơi trình bày mơ hình kênh tính toán dung lượng kênh MIMO Trong phần IV, kết mô dung lượng kênh công suất phát trình bày phân tích Cuối kết luận báo phần V II MƠ HÌNH KÊNH Hình 1: Kiến trúc hệ thống CBTC [4] Hình kiến trúc hệ thống CBTC gồm thành phần [2]: 1) Giám sát hoạt động tàu ATS (Automatic Train Suppervision), 2) Vận hành tàu tự động ATO (Automatic Train Operation), 3) Thông tin tàu mặt đất qua điểm truy cập vô tuyến AP (Access Point), 4) Trung tâm điều khiển vùng ZC (Zone Controller), 5) Bảo vệ tàu tự động ATP (Automatic Train Protection) Trong thành phần này, phần thông tin tàu mặt đất đóng vai trị quan trọng, có nhiều thách thức cần giải quan tâm [11] Các thơng tin tàu vị trí, phương hướng, định danh vận tốc truyền đến trung tâm điều khiển ZC qua AP đặt dọc theo đường ray Truyền thông vô tuyến tàu ZC qua AP phải giữ liên tục để xác định vị trí tất tàu phạm vi phủ sóng theo thời gian thực Đặc tính kênh truyền vơ tuyến đường hầm khác biệt so với môi trường truyền dẫn khác giới hạn chiều dài, đường bao hầm, hiệu ứng ống dẫn sóng Do đó, cần có mơ hình kênh xét đến đặc tính pha đinh phạm vi rộng pha định phạm vi hẹp [13] Trong đường tàu điện ngầm, môi trường truyền sóng xét theo ba vùng với đặc tính khác [14]: • Vùng NSZ (near-shadowing zone): tàu chạy qua phía trước máy thu, tín hiệu thu chịu ảnh hưởng Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) • • pha đinh sâu hiệu ứng đa đường mạnh Đường truyền thẳng LOS máy thu phát bị chắn tàu, truyền dẫn đa đường mạnh ba vùng Vùng LOS (line of sight): vùng tàu vừa chạy qua máy phát, gần máy phát, vùng có thành phần truyền sóng tầm nhìn thẳng máy thu máy phát mạnh Vùng FLOS (Far LOS): Thành phần sóng trực tiếp bị suy hao nhiều sóng phản xạ mạnh sóng trực tiếp A Mơ hình suy hao Mơ hình thống kê phù hợp để mơ tả suy hao truyền sóng đường hầm [14], [15]: P L [dB] = P L (do ) + 10nlog (d/do ) + Xσ B Mơ hình pha đinh phạm vi hẹp Kênh pha đinh Nakagami-m kênh truyền tổng quát nhất, cho phép tính tốn mức biên độ khác thành phần tán xạ Tham số m thể mức độ ảnh hưởng pha đinh lên biên độ tín hiệu Các nghiên cứu liệu đo đạc thực nghiệm cho thấy phân bố Nakagami-m phù hợp để mô tả pha đinh nhanh kênh vô tuyến di động [14], [16] Hàm mật độ xác suất PDF (probability density function) phân bố Nakagami sau [16] p (R) = m Ω 2m−1 R m × exp − R2 Γ (m) Ω (2) với Ω = E(R2 ) công suất thu trung bình với E(.) giá trị kỳ vọng, Γ(.) hàm Gamma, m > 21 hệ số pha đinh Nakagami, nghịch đảo phương sai chuẩn hóa R2 , phản ánh mức độ ảnh hưởng pha đinh tính cơng thức m = E R2 /Var R2 ISBN 978-604-80-7468-5 III TÍNH DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO Giả thiết ma trận kênh MIMO H kích thước r × t với t số anten phát r số anten thu phân bố i.i.d sau [17] Z = R exp (jΘ) (3) 378 (4) pha Θ phân bố độc lập với đường bao R Do đó, đường bao R tính bởi: m R2 = (1) Trong (1), P L (d) công suất nhận khoảng cách d mét từ máy phát, n số mũ suy hao truyền sóng xác định tốc độ suy giảm cơng suất theo khoảng cách, P L (do ) biểu thị giá trị trung bình tổng thể tất giá trị công suất nhận cho khoảng cách tham chiếu định mét Công suất tham chiếu thường đo trước tính phương trình Friis không gian tự Xσ biến ngẫu nhiên Gauss với giá trị trung bình phương sai σ dB Tham số Xσ thể pha đinh shadow, đo đạc xác định thực nghiệm với vùng truyền sóng tương ứng đường hầm m với Var (.) phương sai Giá trị m thể điều kiện pha đinh khác nhau, m = pha đinh Rayleigh m = ∞ kênh khơng có pha đinh (hay kênh AWGN) Việc xác định xác tham số m quan trọng phản ánh chất lượng kênh Xi2 + Yi2 (5) i=1 với Xi Yi phân bố i.i.d Gaussian có giá trị trung Ω Phân bố bình khơng phương sai 2m R tuân theo phân bố Nakagami-m (2) Ma trận kênh MIMO H gồm phần tử hi,j , phân tử phân bố theo biến ngẫu nhiên Z (4) Với ma trận hiệp phương sai đầu vào Σ cho trước, dung lượng kênh MIMO tức thời tính theo cơng thức sau: C (Σ) = log2 det (I + HΣH*) (6) I = E [n n*] với n nhiễu Gaussian kênh Gọi P công suất phát cấp phát cho anten phát, dung lượng kênh MIMO tính [17] C = E log2 det I + P W t (7) với W= HH* H*H r≤t r