Chương 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 chương này đề xuất phương pháp ước lượng và bù CFO sử dụng CP (Cyclic- Prefix) và phương pháp ước lượng CFO kép nhằm giảm ICI bằng việc sử dụng thuật toán ước lượng và bù dịch tần Doppler cho hệ thống HSR. Phương pháp ước lượng CFO kép này dựa vào phần mào đầu khung của dữ liệu trong thông tin giữa E-node B và người sử dụng. Kết quả mô phỏng chỉ ra hiệu năng của hệ thống đã được cải thiện bằng việc sử dụng các mô hình đề xuất này.
3.2. Uớc lượng và bù CFO sử dụng CP trong HSR 3.2.1. Phân tích đề xuất
Các nghiên cứu trước đã đề xuất ước lượng CFO với giá trị CFO cố định, điều này là đơn giản hơn trong quá trình mô phỏng hệ thống OFDM. Thực tế trong quá trình tàu chạy, sự thay đổi tốc độ của tàu tạo ra giá trị CFO khác nhau theo thời gian như đã phân tích ở phần trên. Tuy nhiên, giá trị CFO lớn nhất là xấp xỉ 0.0867 khi tàu chạy với vận tốc 150m/s nằm trong khoảng [-0.5, 0.5]. Vì vậy, phương pháp CP là phù hợp cho việc ước lượng CFO. Mặt khác, kỹ thuật CP có ưu điểm vượt trội là
thời gian ước lượng nhanh. CP là một phần đuôi của OFDM symbol ( ,
…… ) được sao chép lên phần đầu của ký hiệu ( , ……….. ,
82 2, 1, ,... ... ... CP x x x x x x0 , , ,... ... ... 1 2 xN CP , xN CP 1... ... ...,x1 Tín hiệu OFDM (FFT=N) Tín hiệu OFDM với CP
Ncp được sao chép từ phía trước
Hình 3-1. Ký hiệu OFDM với Cyclic-Prefix
Chúng ta giả thiết đồng bộ Ký hiệu là hoàn toàn, sự tác động của CFO lên tín hiệu bên thu được mô tả tại symbol OFDM symbol thứ như sau: l
[ ] = [ ] (3.1)
[ + ] = [ + ] ( ) (3.2) [ + ] = [ + ] ( + ) ( 3.3)
Từ công thứ (3.1) và (3.3), chúng ta có thể thấy sự khác pha nhau giữa CP và
phần đuôi tương ứng trong một symbol OFDM gây ra bởi CFO là: = 2
Vì vậy, CFO có thể tìm được từ góc pha:
̅ = {∗[ ]. [ + ]} với n -1,-2,…-= N . (3.4 ) Trong đó Ng là số symbol trong tiền tố CP
Để giảm tác động của CFO, chúng ta có thể thực hiện trung bình cộng các mẫu trong khoảng độ dài CP như sau:
83 Phạm vi của ước lượng CFO trong biểu thức (3.5) là:[− , )/2 = [-0.5, 0 5] vì .
vậy | |<0 5, bởi vì hàm arg( ) được tiến hành bằng việc sử dụng hàm tan. -1( ). Vì thế, kỹ thuật này là hữu ích cho việc ước lượng phần phân số CFO. Kỹ thuật CP được mô tả như Hình 3-2.
Hình 3-2. Mô hình đề xuất dựa trên kịch bản thực tế
Đầu tiên, tín hiệu nhận được tại bên thu sẽ đi qua khối RF (lọc, khuếch đại tạp âm thấp, hạ tần…) và khối ADC. Tín hiệu sau đó được chia thành 2 nhánh:
Nhánh thứ 1: Tín hiệu đi vào khối ước lượng và nội suy CFO. Trong khối này, CFO được ước lượng theo như 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 ước lượng và nội suy CFO. Tại khối bù CFO, tín hiệu sẽ được bù với giá trị CFO thu được từ khối ước lượng và nội suy CFO như biểu thức (3.6).
[ ] = [ ]. .
84 Sau khối này, tín hiệu thu được đã được bù CFO. Kết quả mô phỏng được minh họa bên dưới.
3.2.2. Kết quả mô phỏng
Để đánh giá quá trình ước lượng và bù CFO với tốc độ thay đổi sử dụng thuật toán CP, các thông số trong Bảng 3.1 và mô hình kênh Rice được áp dụng để mô phỏng thông qua phần mềm Matlab
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật mô phỏng
Thông số Giá trị
Bán kính cell 1000 m
Độ cao anten trên tàu 3m
Độ cao anten RU 6,5m
Khoảng cách giữa đường và RU 5m
Tốc độ tàu v=150 m/s = 540 km/h Tổng số sóng mang con N=128 Phương pháp điều chế BPSK Độ rộng sóng mang con ∆ =15 kHz Tần số sóng mang 2,6 GHz
Khoảng bảo vệ ¼ chu kỳ Symbol
Kênh truyền AWGN, kênh Rice
với (K=8, K=20)
Qúa trình chạy tàu trải qua 4 trường hợp thay đổi vận tốc điển hình như đã trình bày ở chương 2 như sau:
Trường 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 3-4.
85 Trường hợp 2: Tàu chạy với vận tốc không đổi 150m/s kết quả thể hiện ở Hình 3-5 và Hình 3-6.
Trường hợp 3: Tàu giảm tốc độ khi tới ga gia tốc a= - 0,6m/s2 kết quả thể hiện ở Hình 3-7 và Hình 3-8.
Trường hợp 4: Tàu giảm tốc độ đột ngột khi gặp sự cố khi tới ga gia tốc a= - 0,9m/s2 kết quả thể hiện ở Hình 3-9 và Hình 3-10.
- Trường hợp 1:
Hình 3-3. Đường cong ước lượng CFO với gia tốc a = 0,5m/s2 qua kênh Rice
Hình 3-3 cho thấy giá trị CFO ước lượng được trong trường hợp vận tốc tăng với a = 0.5m/ s2 bằng việc sử dụng thuật toán CP qua kênh Rice đạt kết quả hội tụ với CFO thực tế.
86
Hình 3-4. BER của OFDM sử dụng BPSK qua kênh Rice với K=8 và K=20
Hình 3-4 thể hiện đường cong BER của hệ thống khi tàu chạy tăng tốc với gia tốc a = 0,5m/ s2 trong các trường hợp: Lý thuyết kênh Rice với K=8, tác động của CFO với K=8, bù CFO với K=8, lý thuyết kênh Rice với K=20, CFO với K=20 và bù CFO với K=20. Hình này cho thấy rằng sau khi bù CFO thì BER của hệ thống gần bằng với BER lý thuyết.
- Trường hợp 2:
Hình 3-5. Đường cong CFO với vân tốc không đổi qua kênh Rice
Hình 3-5 cho thấy giá trị CFO ước lượng được trong trường hợp vận tốc không đổi bằng việc sử dụng thuật toán CP qua kênh Rican đạt kết quả tốt
87
Hình 3-6. BER với vân tốc không đổi qua kênh Rice với K=8 & K=20
Hình 3-6 thể hiện đường cong BER của hệ thống trong các trường hợp: Lý thuyết kênh Rice với k=8, tác động của CFO với k=8, bù CFO với k=8, lý thuyết kênh Rice với k=20, CFO với K=20 và bù CFO với k=20. Khi chưa bù thì dịch tần Doppler ảnh hưởng lớn đến hiệu năng của hệ thống thể hiện đường cong BER chưa bù cách xa đường BER lý thuyết. Khi có bù thì đường cong BER sau khi bù về sát với đường cong BER lý thuyết.
Trường hợp 3:
88
Hình 3-8. BER với a = -0.6m/ s2 qua kênh Rice với K=8 & K=20
Hình 3-7 và Hình 3-8 thể hiện kết quả ước lượng CFO trong trường hợp tàu giảm tốc với gia tốc a = -0,6m/ s2 và BER của hệ thống sau khi bù với kênh Rican khi k=8 và K=20. Kết quả trên hình cho thấy trường hợp tàu chạy giảm tốc có kết quả tương tự như trường hợp tàu chạy với vận tốc tăng với gia tốc a= 0,5m/ s2 bởi vì hiệu ứng
Doppler tác động lên hệ thống là gần giống nhau chỉ là quá trình ngược lại của nhau.
89 Hình 3-9. Đường cong ước lượng CFO với a = -0.9m/ s2 qua kênh Rice
Hình 3-10. BER với a = -0.9m/ s2 qua kênh Rice
Hình 3-9 và Hình 3-10 thể hiện kết quả ước lượng CFO trong trường hợp tàu giảm tốc với gia tốc a = -0,9m/ s2 và BER của hệ thống sau khi bù với kênh Rice khi K=8 và K=20. Kết quả trên hình cũng cho thấy trường hợp tàu chạy giảm tốc với a = -0,9m/ s2 có kết quả tương tự như 3 trường hợp trên và với kênh Rice dù K khác nhau nhưng với mô hình bù này thì đường cong BER sau khi bù đều gần trùng kít với đường cong BER lý thuyết.
90 Nhìn chung, đường CFO ước lượng hầu như giống với thực tế đã được mô tả và nó thay đổi tùy thuộc vào tốc độ của tàu và kết quả ước lượng là như nhau trong cả 4 trường hợp thay đổi vận tốc điển hình của tàu trong HSR.
Đường BER trong trường hợp tốc độ không đổi là lớn nhất với CFO và là xấu nhất trong 4 trường hợp vì giá trị của CFO là rất lớn. Trong 3 trường hợp còn lại, BER gần như nhau vì tác động của dịch tần Doppler lên hệ thống là khá giống nhau. Tuy nhiên, sau khi bù CFO bằng thuật toán CP qua kênh Rice, đường cong BER của cả 4 trường hợp là giống với trường hợp lý tưởng khi không có CFO. Vì vậy có thể khẳng định rằng, tác động của dịch tần Doppler đã được bù hiệu quả. Kết quả này khẳng định đường cong CFO thay đổi phụ thuộc vào tốc độ của tàu và tất cả các giá trị CFO nằm trong khoảng [-0.5, 0.5]. CFO có thể được ước lượng và bù bằng phương pháp CP trong thời gian ngắn.
Trong đề xuất này, dựa vào phân tích, kết quả mô phỏng đường cong CFO trong 4 trường hợp thay đổi vận tốc điển hình và lựa chọn thuật toán CP để ước lượng và bù CFO. Kết quả ước lượng CFO và đường cong BER của 4 trường hợp cho ta thấy việc sử dụng kỹ thuật CP là đáp ứng yêu cầu của thông tin vô tuyến trong hệ thống HSR, hệ thống này yêu cầu ước lượng và bù CFO chính xác trong thời gian ngắn. Tuy nhiên đề xuất này cũng có hạn chế là không ước lượng được CFO một cách ngẫu nhiên trong mọi trường hợp thay đổi vận tốc. Vì vậy phần tiếp theo sẽ trình bày đề xuất ước lượng kép CFO phù hợp với mọi chế độ vận tốc của tàu.
3.3. Thuật toán ước lượng CFO kép trong HSR 3.3.1. ICI trong môi trường đường sắt tốc độ cao
Với sự phát triển của hệ thống HSR, vận tốc của tàu lên đến 350 km/h hoặc lớn hơn. Rất nhiều các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống thông tin di động HSR đã được đưa ra. Chuẩn LTE-4G được nghiên cứu để đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin HSR. Với nhu cầu sử dụng ngày càng tăng, việc thông tin đường lên với ghép kênh không gian (SM-OFDM) đã nhận được sự quan tâm đáng kể. Từ đó nhiều người ,
dùng có thể chiếm giữ 1 sóng mang con, dẫn tới hiệu quả sử dụng phổ là rất cao. Tuy nhiên, nhiều người sử dụng cùng 1 sóng mang làm cho ước lượng CFO trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Có rất ít nghiên cứu về ước lượng nhiều CFO cho hệ thống truyền OFDM đa người dùng. Besson và Stoica là những người đầu tiên nghiên cứu
91 và công bố trong công trình [62]. Tuy nhiên họ mới chỉ giới hạn mô phỏng với kênh Fading phẳng. Trong [63], kỹ thuật bán mù (semi-blind) được gợi ý để ước lượng ngay lập tức nhiều CFO tại kênh lựa chọn lọc tần số (selective fading). Tuy nhiên, công nghệ này chỉ hiệu quả với phương pháp chèn điểm không ZP (Zero-padding) OFDM, với ZP có thể ước lượng kênh và cân bằng kênh một cách đơn giản.
Kỹ thuật ước lượng cả CFO và kênh cho đa người dùng sử dụng CP trong hệ thống MIMO-OFDM dựa trên thuật toán khả năng tối đa (ML) được giới thiệu [64]. Việc nghiên cứu đa người sử dụng làm tăng độ độ phức tạp tính toán và nó đã được giảm bởi kỹ thuật lấy mẫu. Tuy nhiên, sự phức tạp để tạo ra đủ mẫu trong quá trình lấy mẫu có thể vẫn lớn để có thể ứng dụng vào thực tế. Thuật toán ước lượng cận tối ưu (suboptimal estimation algorithm) được trình bày trong công trình [65]. Gần đây, nhiều tác giả đã đề xuất công trình [66] trình bày về kỹ thuật ước lượng nhiều CFO dựa trên phương pháp semi-blind và phân tích các thành phần độc lập dựa trên kỹ thuật cân bằng cho hệ thống OFDM đa người dùng được sắp xếp tại nhiều điểm (multiuser coordinated multi-point OFDM systems)
Trong phần này, vấn đề ước lượng CFO kép được nghiên cứu. Trong đó một anten chính được sử dụng thay vì nhiều anten như trong [62-67] và không sử dụng chuỗi huấn luyện cho trước như trong [66,67]. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng phương pháp đề xuất này tốt hơn là phương pháp ước lượng thông thường trong [68] khi SNR cao.
3.3.2. Mô hình hệ thống đề xuất
Hệ thống HSR được xét là cấu trúc mạng 2 vòng như ở chương 1, luận án này tập trung nghiên cứu vòng thứ 2 là đường truyền thông tin giữa các E-NodeB và điểm truy nhập trên tàu được minh hoạ như Hình 3-11
92 Trong hệ thống này:
- d1 và d2 là khoảng cách tương ứng từ E-Node-B1và E-Node-B2 tới vị trí MS [m].
- là khoảng cách từ E-NodeB tới đường tàu [m]. - là vùng phủ sóng của E-NodeB [m].
- ∆d là khoảng cách chồng lên nhau của 2 vùng phủ sóng [m].
Đường truyền từ E-Node-B tới các MS và ngược lại được nghiên cứu trong luận án này. Mỗi E-Node-B có thể được thiết kế với một hoặc nhiều anten. Giả thiết rằng mỗi E-Node-B có 1 anten và MS cũng có 1 anten. Tất cả các anten không có sự tương quan với nhau. Dịch tần Doppler là mục tiêu nghiên cứu chính, vì vậy giả thiết rằng hệ thống đã được đồng bộ về mặt thời gian và tần số.
Giả thiết hệ thống thời gian-tần số từ 2 E-Node-B cạnh nhau như [69]. Tín hiệu mong muốn từ 2 E-Node-B tới MS hầu như ngay lập tức. Hai dòng tín hiệu không thể được tách ra dễ dàng bởi vì chúng chiếm cùng khe thời gian-tần số trong đường liên kết thông tin OFDM. Do đó việc ước lượng dịch tần Doppler hay CFO một cách chính xác tại phía thu vẫn là vấn đề lớn. Giải pháp đề xuất được mô tả ở hình 3-12, MS ước lượng Doppler dựa trên dữ liệu nhận được và gửi giá trị ước lượng đó trở lại E-Node-B. Khi dữ liệu mới được gửi đi, tín hiệu sẽ được chèn thêm giá trị
93 CFO thu được trước đó để bù trước. Cần lưu ý rằng, việc dự đoán dựa theo đường cong dịch tần Doppler cũng có thể làm tăng hơn hiệu quả của việc bù trước .
3.3.3. Mô hình bù CFO đề xuất
Để ước lượng và bù CFO kép trong HSR mô hình bù trước được đề xuất như sau
Như thể hiện ở Hình 3-11 và Hình 3-12, chúng ta có thể thấy rằng tín hiệu nhận đã được trộn của 2 tín hiệu từ 2 E-Node-B riêng rẽ. Khi MS di chuyển ra xa từ E-
Node-B1 tới E-Node-B2, dịch tần Doppler của 2 tín hiệu là khác nhau rõ ràng. Trong phần này, thông qua mô hình toán học của kênh truyền và phương án truyền tín hiệu, tìm ra 2 dịch tần dựa trên phần mào đầu khung dữ liệu trong đường truyền tín hiệu giữa các E-Node-B và MS.
3.3.4. Mô hình toán học
Sơ đồ khối kiến trúc hệ thống OFDM thông thường được thể hiện trong Hình 3- 13. Tại phía phát, dữ liệu ban đầu được đi qua khối nối tiếp-song song (Serial-to- Parallel). Dòng dữ liệu đầu vào được chia thành N dòng nhỏ dẫn tới tốc độ bit giảm đi N lần. Sau đó, tín hiệu đi qua khối biến đổi ngược Fourier rời rạc (hoặc biến đổi Fourier nhanh IFFT với = 2 ) tại N ký hiệu OFDM. Khi đó tín hiệu thực hiện
trong miền thời gian. Trước khi chuyển tín hiệu số sang tín hiệu tương tự, khoảng bảo vệ được chèn vào nhằm tránh tác động của ISI bởi khi đó chu kỳ symbol tăng lên.
94 Quy trình bên thu được tiến hành ngược lại bên phát. Bước đầu tiên, tín hiệu được chuyển từ tương tự sang số. Khoảng bảo vệ được tách ra rồi sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (hoặc biến đổi Fourier nhanh) Cuối cùng là sự sắp xếp các .
symbol vào trong chuỗi dữ liệu. Trong hệ thống OFDM, rất nhiều tín hiệu hình sin với sự khác tần số 1/Ts được sử dụng với Ts là chu kỳ ký hiệu.