xấp xỉ bằng 0 hoặc + gần bằng 0
2.3.2. M ô hình kênh
Trong mô hình đề xuất này tập trung nghiên cứu dịch tần gây ra do hiệu ứng Doppler nên giả thiết rằng tần số bên thu và bên phát đồng bộ với nhau. Bên cạnh đó do đường sắt tốc độ cao di chuyển phần lớn qua vùng nông thôn và trong hầm nên mô hình kênh luôn tồn tại tia truyền thẳng LoS được ứng dụng. Trong trường hợp này đáp ứng xung của kênh có thể biểu hiện bằng biểu thức sau:
( ) = ( ). exp ( 2 ) (2.14)
A(t) A= r√
√ ∑ { } (2.15)
Trong đó:
H: là đáp ứng kênh truyền của anten thứ i. Ar: Độ lớn của tín hiệu nhận được
Po: Là công suất trung bình của tín hiệu thu M: là số tán xạ
57 Xét 1 symbol OFDM được truyền từ trạm E-NodeB là S(t). Ta có:
( ) = ( ). exp ( 2 ) (2.16)
Thì tín hiệu thu được tại đầu Anten k sẽ là:
( ) = ( ). ( ) + ( ) (2.17) Trong đó: và lần lượt là đáp ứng kênh truyền và nhiễu cho Anten k
Dựa vào tính chất đối nhau của dịch tần Doppler tại 2 kênh truyền của anten đầu tàu và anten đuôi tàu trên tàu này, ta có thế khử dịch tần Doppler tác động lên i j
tín hiệu trong mọi trường hợp bằng cách nhân 2 tín hiệu nhận được từ anten i và anten j. Ta có: ( ) = ( ) . ( ) (2.18) ( ) = ( ( ) ( ) + ( )). ( ( ) ( ) + ( )) = ( ) ( ). ( )exp ( 4 ). exp [ 2 ( + ) ] + ( ) ( ). exp ( 2 ). ( ) + ( ) ( ). exp ( 2 ). ( ) + ( ) ( ) (2.19) Ở biểu thức (2.19), chỉ có thành phần tử thứ nhất là chứa tín hiệu mong muốn và sẽ được xử lý sau. Phần tử thứ 2 và thứ 3 là nhiễu từ tín hiệu mong muốn có thành phần tần số là . Phần tử thứ 4 là nhiễu AWGN. Sử dụng bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter) thì các phần tử thứ 2,3 và 4 bị loại bỏ chỉ còn phần tử thứ 1 là tín hiệu ta mong muốn. Tín hiệu mong muốn là phần tử thứ nhất có thành phần tần số là:
= 2 + + (2.20)
Do + ≈ 0 nên ≈ 2 . Do vậy, thành phần dịch tần Doppler
không còn ảnh hưởng tới tín hiệu thu được. Hay nói cách khác với hệ thống này dịch tần Doppler đã được triệt gần hết. Ngược lại, việc tín hiệu thu được ở tần số
58 Để lựa chọn được cặp anten làm việc thích hợp thì trên tàu cần bộ chuyển mạch với chức năng chọn lọc tín hiệu thu được từ các anten đầu tàu và anten đuôi tàu để có được tín hiệu với độ dịch tần Doppler là nhỏ nhất. Do vị trí các anten là biết trước và các anten cách nhau 1 khoảng cách đủ lớn để quá trình chuyển giao xảy ra tại các anten trong mỗi cặp là riêng rẽ nên ta có thể chọn 1 trong 3 tín hiệu thu được trong từng vị trí của tàu để dịch tần Doppler tại đó là nhỏ nhất trong 3 tín hiệu thu được từ các cặp anten lần lượt là:
- Anten đầu tàu 1 và anten đầu tàu 2:
( ) = ( ). ( ) ⎯
( ) ( ). ( )exp ( 4 ). exp [ 2 ( + ) ] (2.21) - Anten đuôi tàu 1 và anten đuôi tàu 2
( ) = ( ). ( ) ⎯
( ) ( ). ( )exp ( 4 ). exp [ 2 ( + ) ] (2.22) - Anten đầu tàu 1 và anten đuôi tàu 2
( ) = ( ). ( ) ⎯
( ) ( ). ( ) exp( 4 ) . exp[ 2 ( + ) ] (2.23)
Hình 2-13 thể hiện sơ đồ khối hoạt động của hệ thống xử lý tín hiệu trên tàu và loại bỏ thành phần nhiễu. Khi đó, đầu ra của khối chuyển mạch sẽ được đưa vào bộ giải điều chế tín hiệu tại tần số 2fc mà không còn thành phần tần số Doppler ảnh hưởng tới hệ thống.
Việc giải điều chế tín hiệu tại tần số 2fc khiến cho chi phí phần cứng của bộ giải điều chế tăng lên. Tuy nhiên, nhờ việc triệt tiêu được dịch tần Doppler thì đây là một phương pháp hữu ích và dễ thực hiện.
59
Hình 2-13. Mô hình hệ thống xử lý trên tàu
Do có nhiều sự lựa chọn của tần số đầu vào để giải điều chế nên khối chuyển mạch sẽ hoạt động tại các 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 đưa vào bộ giải điều chế là tín hiệu đã được bù dịch tần Doppler.
2.3.3. Lưu đồ thuật toán
Bước 1: Vị trí của tàu luôn được xác định nhờ các thiết bị xác định vị trí đoàn tàu được trang bị trên tuyến đường như các bộ phát đáp (transponder), cờ (tags), balise đặt tại đường ray.
Bước 2: Thuật toán lựa chọn và xử lý tín hiệu:
If d < ≤ then Input=head1 + head2;
Else if − < ≤ then Input = tail1+tail2; Else Input= head1+ tail2.
Bước 3: Tín hiệu output được triệt tiêu dịch tần Doppler và đưa vào bộ giải điều chế tại tần số 2fc.
Mô hình triệt tần số Doppler sử dụng bốn anten định hướng và thêm vào bộ chuyển mạch để chọn hai anten làm việc được thực hiện theo lưu đồ thuật toán như sau
60 Xác định vị trí tàu
d<s<3d/2 l-d/2<s<=l
Đầu vào = Anten đầu tàu 1 +Anten đầu tầu 2
Đầu vào = Anten đuôi tàu1 + Anten đuôi tàu 2
Đầu vào = Anten đầu tàu 1 + Anten đuôi tàu 2 Đúng
Sai
Đúng
Sai
Đầu ra dich tần Doppler được triệt
tiêu
Hình 2-14. Lưu đồ thuật toán
Tối ưu vị trí đặt anten trên tàu
Khối chuyển mạch hoạt động như khối chuyển mạch mềm. Dựa vào vị trí của tàu trên đường ray ta sẽ có được tần số đầu ra cho tín hiệu của khối chuyển mạch như sau: = ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ 2 + + , − 2 ; 2 + + , ; 3 2 2 + + , ò ạ
Xét trường hợp 1: Với [ − ; ] khi đó dịch tần do hiệu ứng Doppler gây ra tại đây là:
61 ∆ = + = . .(cos − cos ) (2.24) ∆ = . . ( ) − ( ) (2.25) Ta có: ∆ = . . (( − ) + + ℎ ). ( − ) + + ℎ ≥ 0 ớ ọ [0; ] (2.26) Mà hàm số ∆ ( ) là hàm số liên tục nên ∆ ( ) đồng biến với [0; ] do vậy để dịch tần Doppler là nhỏ nhất thì = 0.
Xét trường hợp 2: Với ; ta cũng có dịch tần Doppler tại đây là:
∆ = + = . .(cos − cos ) (2.27) ∆ = . . ( ) − √ (2.28) Tương tự ta cũng có: ∆ = . . ( ).√ ≥ 0 (2.29) ớ [0; ]
Mà hàm số ∆ ( ) là hàm số liên tục nên ∆ ( ) đồng biến với [0; ] do vậy để dịch tần Doppler là nhỏ nhất thì = 0
Xét trường hợp 3: Với trường hợp còn lại của s ta sử dụng 2 anten là anten đầu tàu 1 và anten đuôi tàu 1 ant thì có 2 khả năng xảy ra về thiết lập kênh truyền đối với các anten.
Khả năng 1: 2 anten anten đầu tàu 1 và anten đuôi tàu 1 ant thiết lập kênh truyền đến 2 trạm E-NodeB liên tiếp. Khi đó tàu ở trong vùng trạng thái 1 hay [; −
]. Khi đó độ dịch tần Doppler thu được từ 2 tín hiệu sẽ là:
62
∆ = . . ( ) − ( ) (2.31)
Vì ∆ = . .
( ( ) ). ( ) ≥ 0 ớ [0; ](2.32) Mà hàm số ∆ ( ) liên tục trên miền đó nên hàm số ∆ ( ) là đồng biến với
[0; ] do vậy để dịch tần Doppler là nhỏ nhất thì w = 0
Khả năng 2: Hai anten đầu tàu 1 và đuôi tàu 1 thiết lập kênh truyền đến 2 trạm E-NodeB không liên tiếp. Khi đó tàu trong vùng trạng thái 2 hay là [0; ], khi đó thì các anten ở đầu tàu đã xảy ra quá trình chuyển giao và anten đuôi tàu chưa chuyển giao.
Khi đó dịch tần Doppler thu được tại 2 anten là:
∆ = + = . .(cos − cos ) (2.33) ∆ = . . ( ) − ( ) (2.34) Rõ ràng ∆ = . . (( ) ). ( ) ≥ 0 ớ [0; ] (2.35) Mà hàm số ∆ ( ) liên tục trên miền đó nên hàm số ∆ ( ) là đồng biến với
[0; ] do vậy để dịch tần Doppler là nhỏ nhất thì = 0
Vậy để độ dịch tần Doppler nhỏ nhất cho hệ thống này thì khoảng cách giữa các cặp anten là bằng 0. Khi đó mô hình hệ thống trở thành:
63 E- Node B E-NodeB Tàu d 0 S l 2.3.4. M ô phỏng và kết quả
Trong mô hình đề xuất này sử dụng các tham số mô phỏng như bảng 2.2 dưới đây. Việc chọn lựa các thông số mô phỏng như tần số, khoảng cách giữa hai RU để phù hợp với điều kiện triển khai thực tế LTE-R.
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
Loại Anten Anten định hướng cao
( θ3dB ≤ 10o, G= 16dBi)
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 đường cong Doppler trong các anten đặt trên tàu và đường cong Doppler còn lại sau khi sử dụng phương pháp triệt đề xuất được thể hiện ở các Hình 2-16, Hình 2-17, Hình 2-18
64
Hình 2-16. Tần số Doppler tại hai anten đầu tàu
Đường cong tần số Doppler của anten đầu tàu 1(Head 1Ant) và anten đầu tàu 2 (Head 2Ant) được 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 ngược nhau về dấu và cùng bằng 0 khi tàu chuyển giao giữa 2 cell
65 Hình 2-17 thể hiện đường cong Doppler trong tín hiệu của anten đuôi tàu 1(Tail 1 Ant) và anten đuôi tàu 2 (Tail 1 Ant). Từ kết quả mô phỏng thể hiện trên hình ta thấy hai đường cong này giống với hai đường cong Doppler trong hai Anten đầu tàu, giá trị tuyệt đối tần số Doppler bằng nhau, ngược nhau về dấu và bằng 0 khi tàu chuyển giao giữa 2 cell. Giá trị tần số Doppler lớn nhất trong tín hiệu ở cả 4 anten bằng nhau là 1300 Hz, cùng nhỏ nhất bằng 0.
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 hưởng lên tín hiệu truyền tới đầu cuối thiết bị sử dụng. Qua đây ta thấy tần số Doppler chỉ còn lại lớn nhất xấp xỉ 0.4 Hz chỉ chiểm 5%, còn lại giá trị tần số Doppler bằng 0 ở hầu hết quá trình tàu di chuyển.
Đề xuất mô hình sử dụng 4 anten định hướng trên tàu và thêm vào bộ lọc thông cao HPF để lọc lấy tín hiệu tần số cao sau đó lập trình cho bộ chuyển mạch làm việc dựa vào đặc tính của tín hiệu cũng như ngữ cảnh đường sắt. Với mô hình này tín hiệu thu được sau bộ chuyển mạch có độ dịch tần Doppler rất nhỏ (gần như bằng 0) trên toàn bộ quãng đường di chuyển của tàu. Điều này làm cho luồng dữ liệu giải điều chế được mà không mất tính trực giao của tín hiệu OFDM như thế sẽ không gây ra ICI trong hệ thống. Tuy nhiên phương pháp này cần sử dụng 4 anten định
66 hướng trên tàu cao tốc, để giảm anten trên tàu phần dưới đây sẽ đề xuất phương án sử dụng 3 anten và cho kết quả tương tự như việc sử dụng 4 anten.
2.4. Triệt dịch tần Doppler sử dụng 3 anten định hướng 2.4.1. 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 được thể hiện trong Hình 2- 19 và mô hình kênh tương tự như đề xuất sử dụng 4 anten định hướng trình bày ở mục 2.3.2 phía trên
Hình 2-19. Mô hình hệ thống đề xuất
Hình 2-19 mô tả mô hình đề xuất với 2 anten định hướng được đặt ở mỗi RU hướng về hai phía đối diện để bao phủ dọc đường tàu và 3 anten định hướng được trang bị trên tàu được sắp xếp như sau:
- Anten đầu tàu (Head) được đặt ở phía trước của tàu nhằm kết nối với RU phía trước.
- Anten giữa tàu(Middle) được đặt ở chính giữa tàu
- Anten đuôi tàu (Tail) được thiết lập ở đuôi tàu nhằm kết nối với RU phía sau. Bằng việc sắp xếp các anten như trên, khi tàu chạy từ trái qua phải trên đường tàu, 2 trong 3 anten sẽ được 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. Có hai trường hợp trong mô hình này như sau:
-Trường hợp 1: Toàn bộ anten trên tàu được đặt trong khoảng RUn và RUn+1 như Hình 2-18 tương ứng với s [d; l]. Trong đó, s là quãng đường của tàu đi được ∈
tính từ RUn vừa mới đi qua, l là khoảng cách giữa 2 RU và d là độ dài của tàu hay có thể coi là khoảng cách giữa anten đầu và anten đuôi.
67 Dịch tần Doppler có thể được biểu diễn như sau:
( ) = ( ) = ( ) (2.36)
Với fd (t) là dịch tần Doppler, fD là tần số Doppler cực đại, f0 là tần số sóng mang, là vận tốc của tàu, là tốc độ ánh sáng. Góc tới v c θ(t) của mỗi anten được cho bởi biểu thức sau:
=
( ) (2.37)
=
( ) (2.38)
Như thể hiện ở Hình 2-19, là độ cao khác nhau giữa RU và anten trên tàu với h h = hRU - hAP.
-Trường hợp 2: Quá trình chuyển giao sẽ được xảy ra lần lượt tại anten đầu, anten giữa và anten cuối khi các anten qua trạm RU được thể hiện như sau:
Với anten đầu tàu: khi đầu máy đi qua vùng phủ sóng của Run và tới chân của trạm RUn+1, quá trình chuyển giao sẽ xảy ra ở anten đầu: Đầu tiên, anten đầu tàu sẽ giải phóng kết nối hiện tại với RUn+1 và sẽ kết nối liên kết mới với trạm sau RUn+2. Trong khi đó, anten giữa và anten đuôi tàu vẫn sẽ duy trì đường kết nối cũ. Giá trị θ
của anten giữa tàu và anten đuôi tàu sẽ được tính bởi biểu thức: