Doppler. Tỉ lệ phần trăm giá trị Doppler thu được từ 0.25 đến 0,4 Hz là 5%. Dịch tần Doppler bằng 0 đạt xác xuất khoảng 95%. Giá trị Doppler lớn nhất là đạt được khi thay đổi trạng thái đầu vào. Như vậy đề xuất này đạt hiệu quả triệt tần số Doppler tương tự với phương án sử dụng 4 anten trình bày phía trên.
Phương thức loại bỏ dịch tần Doppler bằng cách thêm khối chuyển mạch để chọn 1 trong số 3 anten dựa trên vị trí của tàu. Dịch tần Doppler đã được loại bỏ tại đầu vào mà không cần ước lượng CFO. Vì vậy, khung OFDM không cần nhiều pilot hay CP để ước lượng CFO.
Hai mô hình đề xuất trên có kết quả triệt tần số Doppler là tương tự nhau. Mô hình sử dụng 3 anten định hướng này có ưu điểm so với mô hình sử dụng 4 anten là cần ít hơn anten trên tàu, tuy nhiên với đặc điểm của đường sắt là các toa tàu thường không cố định mà nó có thể dồn toa, tách toa nên phương pháp sử dụng 3 anten này với một anten 2 hướng ở giữa là phức tạp trong triển khai. Mô hình sử dụng 4 anten định hướng tuy sử dụng nhiều anten hơn tốn kém về chi phí xong lại phù hợp với yêu cầu của ngành đường sắt là luôn làm việc ở chế độ dự phòng nóng.
2.5. Bù dịch tần Doppler tại thiết bị chuyển tiếp trên tàu 2.5.1. Mô hình hệ thống bù Doppler
Cấu trúc 2 vòng được chấp nhận trong hệ thống HSR[35]. Các liên kết giữa E- Node-B và AP hoạt động như trạm lặp theo mô hình D2A và các liên kết khác giữa AP và MSs hoạt động như mô hình D2B. Trong luận án này tập trung vào đường tín hiệu từ E-Node-B tới điểm truy cập AP ở trên tàu. Trong HSR, khi tàu di chuyển với tốc độ cao, tín hiệu nhận được tại AP chịu tác động của hiệu ứng Doppler, sinh ra do dịch tần Doppler. Mô hình tôi đề xuất ở Hình 2-25 có thể bù được dịch tần Doppler.
74 e-NodeB
Đ iểm tru y nhập
User E1
User User User User
User User User User User M ô hình D2B Điểm truy nhập: AP Hình 2-25. Mô hình hệ thống bù 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 được chia thành các dòng bit, điều chế băng cơ sở rồi đưa qua khối nối tiếp song song. Tín hiệu ra từ khối IFFT được 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 Rice được áp dụng theo như kịch bản D2A WINNER II.Tín hiệu sau đó được truyền thông qua kênh đa đường Rice với nhiễu GAUSS. Dịch tần Doppler được xác định và bù ngay tại thiết bị AP hay thiết bị
75 chuyển tiếp trên tàu. Quá trình này được mô tả như sau: Đầu tiên, tín hiệu nhận được tại AP đi qua bộ lọc thông dải (BPF1) và bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), sau đó được phân làm 2 nhánh:
Nhánh 1: tín hiệu thu được 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 được đi vào khối Mixer 1. Với bộ trộn lý tưởng, tần số đầu ra bộ trộn sẽ là và 2 + với dạng
sóng không đổi. Sau đó tín hiệu đầu ra đó đi qua bộ lọc thông thấp (LPF), chúng ta có được tín hiệu có tần số .
Nhánh 2: Tín hiệu với tần số + đi vào bộ trộn Mixer 2. Tại khối này, tín
hiệu này được trộn với tín hiệu có tần số ở nhánh 1. Vì vậy, tín hiệu đầu ra thu được qua bộ Mixer 2 là , + 2 . Sau khi sử dụng bộ lọc thông dải (BPF2), tín
hiệu có tần số được truyền qua, tín hiệu + 2 bị loại bỏ.
Cuối cùng, tín hiệu có tần số sẽ được truyền cho người sử dụng bằng anten bên trong tàu. Tín hiệu này chịu ảnh hưởng kênh Fading đa đường, rồi trải qua quá trình ngược với bên phía E-Node-B để thu được tín hiệu ban đầu.
2.5.2. Quá trìn h thực hiện bù dịch tần Doppler
Dịch tần Doppler là đối tượng nghiên cứu chính, vì vậy tôi sử dụng các giả đinh sau cho phân tích:
Hệ thống được đồng bộ về mặt thời gian cũng như tần số bộ dao động
Một tín hiệu điều chế OFDM băng gốc trong miền tần số được thể hiện bằng biểu thức 2.48:
[ ] = [ ]. /
(2.48) Với X[k] là Ký hiệu truyền bởi kênh con thứ k
Tín hiệu truyền OFDM với sóng mang được viết:
( ) = . [ ] = . [ ]. (2.49)
Tín hiệu nhân được sau khi qua kênh Rice và AWGN có thể được viết như sau:
( ) = ( ) . [ ] = ( ) . [ ]. /
76 Trong mô hình đề xuất ở hình 2-25, tín hiệu nhận r(t) tại AP có chứa Doppler sẽ được đi qua bộ BPF1và được khuếch đại bởi bộ LNA, sau đó đi qua bộ Mixer 1. Tại Mixer 1, tín hiệu sẽ được trộn với tần số dao động được tạo ra bởi khối tạo dao fc
động nội. Kết quả thu được tín hiệu ( ) như sau:
( ) = . ( ) = . [ ] (2.51) Sau đó, tín hiệu này đi qua bộ LPF1, tín hiệu ( ) thu được có tần số là . Tiếp theo ( ) sẽ được trộn với tín hiệu nhận được ban đầu ( ) tại bộ Mixer 2 để loại bỏ Doppler. Kết quả ( ) thu được như sau:
( ) = . ( ) = . [ ] (2.52) Dịch tần Doppler trong ( ) đã bị loại bỏ một cách hoàn toàn. Tín hiệu ( ) sẽ được truyền tới người dùng bằng anten bên trong tàu. Bên phía người dùng, tín hiệu được giải điều chế ngay tại tần số fc, tách Cyclic Prefix rồi đi qua khối FFT. Tín hiệu trước và sau khi qua bộ FFT có thể được viết tương ứng như biểu thức (2.53) và (2.54):
[ ] = . ( ) = [ ] = ∑ [ ]. / (2.53) Tín hiệu sau khi qua khối FFT được viết như sau:
[ ] = 1 [ ] /
= 1 [ ] = 1 [ ] ( ) /
= [ ]
(2.54) Với mô hình đề xuất, tín hiệu sau khi qua bộ FFT không bị ảnh hưởng bởi dịch tần Doppler dẫn tới BER được cản thiện một cách đáng kể.
Trong mô hình này, tín hiệu băng gốc chịu ảnh hưởng của CFO do dịch tần Doppler được biểu diễn như sau:
[ ] = /. [ ] (2.55) Thông qua quá trình ngược lại tại phía người sử dụng, tín hiệu có thể được xác định như sau:
[ ] = ∑ [ ] / = [ − ] (2.56) Vì thế, ảnh hưởng của Doppler tới tỉ lệ lỗi bit(BER) của hệ thống là khá rõ ràng nếu không được bù CFO
77
2.5.3. Kết quả mô p hỏng
Đầu tiên, tạo ra mô hình hệ thống mô phỏng với các tham số như Bảng 2.4. Tần số lấy mẫu là 15.36MHz với điều chế BPSK và số điểm FFT, IFFT là 1024. Khoảng fs
bảo vệ bằng ¼ độ dài Ký hiệu OFDM.
Bảng 2.4. 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 Phương pháp điều chế BPSK Độ rộng kênh con ∆ =15 kHz Băng thông 10MHz 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, Rice (K=2, K=8)
Khi tốc độ tàu đạt giá trị cực đại là dịch tần Doppler là: v,
= . (2.57)
Vì mô hình mô phỏng tại băng gốc với khoảng cách giữa các sóng mang con là
∆ =15 kHz, CFO có thể được tính toán theo biểu thức:
=
78 Hình 2-27, Hình 2-28, Hình 2-29 thể hiện BER của hệ thống khi đi qua kênh AWGN và kênh Rice K=2, K=8.
Hình 2-2 . Tỉ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống qua kênh AWGN 7
Kết quả mô phỏng BER ở Hình 2-27 thể hiện đường cong BER lý thuyết, BER có dịch tần Doppler không bù và có bù dịch tần Doppler cho thấy chất lượng hệ thống khi có ảnh hưởng của Doppler suy giảm đáng kể. Đường cong BER lý thuyết và sau khi có bù Doppler khá trùng khít và hiệu năng hệ thống được cải thiện.
79
Hình 2-2 . Tỉ lệ lỗi bit(BER) của hệ ố8 th ng qua kênh Rice với K=2
Kết quả mô phỏng BER qua kênh Rice với K=2 ta thấy rằng, sau khi có bù Doppler chất lượng hệ thống được cải thiện rõ rệt tuy chưa trùng với đường cong lý thuyết do môi trường truyền là đa đường.
80 Từ kết quả mô phỏng ta thấy với kênh truyền Rice, khi K càng tăng thì đường cong BER sau khi bù Doppler càng gần với đường cong BER lý thuyết và hiệu năng hệ thống được cải thiện rõ rệt. Bởi vì K là tỷ số công suất thu được theo tia nhìn thẳng LOS với công suất tổng cộng thu được của tất cả các tia phụ do phản xạ, tán xạ và khúc xạ.
Trong mô hình này đề xuất việc bù dịch tần Doppler bằng cách thêm tần số sóng mang tại AP không cần sử dụng Pilot trong khung dữ liệu .Tác động của dịch tần fc
Doppler tới hệ thống truyền tin có thể được coi như ảnh hưởng của CFO lên băng gốc. So sánh với tín hiệu không Doppler, BER của tín hiệu mô phỏng đã được cải thiện. Với sự phát triển của công nghệ siêu cao tần, quá trình bù Doppler tại AP có thể được thực hiện. Như vậy phương pháp tôi đề xuất đã bù được dịch tần Doppler tại anten thu bên ngoài tàu cho chất lượng tín hiệu tốt hơn đáng kể.
Với mô hình đề xuất bù dịch tần Doppler tại thiết bị đặt trên tàu này, có thể thực hiện tương tự cho cả đường truyền từ AP tới trạm mặt đất. Bởi vì thực tế dịch tần Doppler chỉ xảy ra giữa tàu và thiết bị thu phát vô tuyến nên việc bù tại thiết bị AP trên tàu cho cả đường truyền lên cũng được thực hiện tương tự.
2.6. Kết luận chương 2
Trong chương này đã nghiên cứu và mô hình hóa đường cong Doppler theo sự thay đổi vận tốc trong các trường hợp điển hình của đường sắt như tàu tăng tốc khi rời ga, chạy ở chế độ ổn định, tàu giảm tốc đột ngột khi gặp sự cố và giảm tốc khi tới ga. Từ đó đề xuất mô hình triệt tần số Doppler trong HSR bằng cách lựa chọn và bố trí anten phù hợp với đặc điểm của đường sắt và mô hình bù dịch tần Doppler bằng việc thêm vào một khối thu phát chuyển tiếp trên tàu AP với kiến trúc thay đổi. Các đề xuất này thể hiện tính hợp lý bằng các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab. Kết quả phân tích, mô phỏng cho thấy tần số Doppler bị triệt và hiệu năng hệ thống thông qua tỉ số lỗi bít BER được cải thiện sau khi bù Doppler. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng như chất lượng thoại, chất lượng truyền số liệu.
Ở chương này đề xuất các mô hình triệt, bù Doppler bằng thay đổi phần cứng cũng như bố trí các anten định hướng trên tàu còn sang chương 3 nghiên cứu sinh đề xuất thuật toán ước lượng và bù CFO bằng xử lý tín hiệu để triệt nhiễu ICI trong thông tin vô tuyến HSR.
81
3CHƯƠNG 1: CHƯƠNG 3.THUẬT TOÁN TRIỆT NHIỄU ICI TRONG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐƯỜNG SẮT TỐC ĐỘ CAO
3.1. Khái quát chung
Như đã đề cập ở hai chương trước, điều chế OFDM là phương pháp điều chế trong hệ thống thông tin tiên tiến nhằm cung cấp các dịch vụ thông tin vô tuyến băng rộng. OFDM có thể chống lại đáng kể nhiễu liên Ký hiệu ISI do độ rộng của ký hiệu lớn. Tuy nhiên hệ thống này lại rất nhạy với hiệu ứng Doppler, trong khi đó tốc độ di chuyển của tàu ngày càng cao. Ngoài ra, nhiễu liên sóng mang (ICI) do dịch tần Doppler tác động lên hệ thống nghiêm trọng trong trường hợp kênh truyền thay đổi lớn. Chương 2 đã đề xuất mô hình triệt Doppler trong HSR bằng cách bố trí