Doppler cũng tăng theo về giá trị tuyệt đối. Dịch tần Doppler có giá trị âm khi tàu đi về phía dần xa E-NodeB và bằng 0 khi chuyển giao và giá trị lại tăng dần khi tàu đi vào vùng phủ sóng của E-NodeB kế tiếp.
Hình 2-3. BER với a =0,5m/s2
Hình 2-3 thể hiện đường cong BER tương ứng với đường cong Doppler do vận tốc di chuyển tăng tốc với a =0,5m/s2 của tàu gây ra. Tuy quá trình tàu tăng tốc từ 0 đến 100 m/s là ngắn nhưng vẫn sinh ra dịch tần Doppler và gây ảnh hưởng lên hệ thống thể hiện qua đường cong BER lúc chưa có dịch tần Doppler và lúc có dịch tần Doppler.
Ta thấy rằng khi tỉ số năng lượng bit trên mật độ công suất tạp âm Eb/N0 càng tăng, ảnh hưởng của dịch tần Doppler tới hiệu năng hệ thống thông qua tỉ số lỗi Bit BER càng lớn.
48
Hình 2-4. Dịch tần Doppler với vận tốc không đổi
49 Hình 2-4 cho thấy giá trị tần số Doppler gần như không đổi và chỉ bằng 0 khi chuyển giao xảy ra giữa hai E-NodeB. Sau khi chuyển giao thì giá trị tần số Doppler cũng chuyển dấu.
Hình 2-5 cho thấy ảnh hưởng của tần số Doppler lên hệ thống trong trường hợp này là nhiều hơn trong trường hợp tàu bắt đầu tăng tốc. Kết quả này đúng với thực tế vì tàu luôn chạy với vận tốc lớn nhất nên sinh ra tần số Doppler lớn nhất.
Từ kết quả mô phỏng ta thấy với K=8 khi không có dịch tần Doppler, chất lượng hệ thống suy giảm ngay khi Eb/N0 nhỏ. Khi Eb/N0 tăng, sự suy giảm hiệu
năng hệ thống càng rõ rệt, BER sai lệch lớn giữa đường cong lý thuyết và mô phỏng.
Trường hợp 3:
50
Hình 2-7. BER với a =- 0,6m/s2
Kết quả cho thấy trong trường hợp tàu giảm tốc tần số Dopppler giảm so với khi tàu chạy với vận tốc không đổi và do đó ảnh hưởng của dịch tần Doppler tới hệ thống cũng giảm. Ảnh hưởng này chỉ rõ sự khác biệt giữa có và không có dịch tần Doppler khi Eb/N0> 6dB
Trường hợp 4:
51
Hình 2-9. BER với a =- 0,9m/s2
Hình 2-6, hình 2-7 và hình 2-8, hình 2-9 cho thấy rằng tần số Doppler trong cả hai trường hợp đều cũng giảm theo vận tốc, trường hợp gia tốc nhỏ hơn sẽ giảm nhanh hơn. Khi tàu giảm tốc độ trong điều kiện bình thường, do yêu cầu thoải mái của hành khách thì gia tốc giảm không dưới -0,6m/s2. Tuy nhiên, trong tình huống nguy hiểm vì sự an toàn tàu phải hãm nhanh nhất có thể nên gia tốc này sẽ nhỏ hơn -0,6m/s2 và nó phụ thuộc vào khoảng cách hãm của tàu trong mô phỏng này lấy gia tốc hãm đột ngột là - 0,9m/s2.
Qua 4 trường 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 trường 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 hưởng của dịch tần Doppler đến chất lượng hệ thống tương đối lớn cần phải có giải pháp giảm, triệt dịch tần này.
Với bốn đồ thị BER của 4 trường 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
52 với trường hợp giá trị tần số Doppler cao nhất khi tàu chạy ở tốc độ cao nhất, điều này là phù hợp với lý thuyết.
Dựa vào đặc tính thay đổi này của đường cong Dopppler và ngữ cảnh của đường sắt trong phạm vi luận án này đề xuất mô hình, thuật toán triệt Doppler theo thời gian thực mà không cần sử dụng đến Pilot để ước lượng và bù tần số Doppler.
2.3.Triệt dịch tần Doppler sử dụng 4 anten định hướng 2.3.1. Mô hình hệ thống
Hệ thống thông tin vô tuyến trong đường sắt tốc độ cao được chia thành hai vòng như đã trình bày ở mục 1.2 và phạm vi luận án này nghiên cứu đường truyền thông tin từ mặt đất đến điểm truy nhập trên đoàn tàu được thể hiện cụ thể trong Hình 2-10 phía dưới.
Phương án bố trí mạng truy nhập RoF trong đó các trạm RU dọc đường ray và chúng được điều khiển bởi các DU được đánh giá là mang lại nhiều ưu điểm về chi phí, các thông số chuyển giao. Để đảm bảo đường truyền thông tin thời gian thực, liên tục và hai chiều cho thông tin điều khiển tàu thì phương án phủ sóng kép được lựa chọn trong đường sắt tốc độ cao và cũng được sử dụng trong đề xuất này
53
Hình 2-11. Mô hình hệ thống sử dụng 4 anten định hướng trên tàu
Ở đây, các anten định hướng được sử dụng cho cả trên E-NodeB (hay RU) và
trên tàu. Các E-NoedB trang bị 2 anten định hướng đối diện nhau, mỗi anten sẽ hướng về một phía trên đường ray. Tàu chuyển động từ trái sang phải với với vận tốc là v(t). Trên tàu được thiết kế sử dụng 4 anten định hướng trong đó:
- Anten đầu tàu 1 và anten đầu tàu 2: đặt ở đầu tàu lần lượt sử dụng cho đường truyền phía trước và phía sau.
- Anten đuôi tàu 1 và anten đuôi tàu 2: được đặt ở đuôi tàu để sử dụng cho đường truyền phía trước và phía sau.
Trong đó: d(m) chiều dài tàu cũng chính là khoảng cách giữa anten đầu tàu 1 với anten đuôi tàu 1 và anten đầu tàu 2 với anten đuôi tàu 2 , w(m) là khoảng cách giữa 2 anten đầu tàu 1 và anten đầu tàu 2 đồng thời cũng là khoảng cách giữa 2 anten đuôi tàu 1 và anten đuôi tàu 2 . Do đó ta luôn có: 0 w w≤ ≤ train: là chiều rộng
của tàu, s(m) là khoảng cách của đầu tàu so với E-NodeB vừa đi qua, l(m) là khoảng cách giữa 2 E-NodeB với nhau vì vậy 0 s l. Và hiển nhiên ≤ ≤ ≫ ,ℎ.
Trong đó (m) là độ chênh lệch chiều cao giữa anten E-NodeB và anten trên tàu: h
ℎ =ℎ − ℎ .
Hai cặp anten đầu tàu và đuôi tàu kết nối với 2 trạm E-NodeB thông qua 2 đường truyền khác nhau do vậy việc sử dụng các cặp anten định hướng là cần thiết để tránh nhiễu liên đường (cross link interference).Với cách bố trí anten này khi tàu di chuyển trên đường ray 4 anten luôn nhận được tín hiệu từ hai E-NodeB. Quá
54 trình chuyển giao của anten xảy ra khi anten đó đi qua trạm E-NodeB, cụ thể như sau:
- Đối với anten đầu tàu: Khi anten đi qua trạm E-NodeBn thì quá trình chuyển giao sẽ xảy ra và anten sẽ thiết lập kênh truyền mới với trạm kế tiếp là E-NodeBn+1.
- Đối với anten đuôi tàu cũng xảy ra tương tự khi anten đi qua trạm E-NodeBn thì quá trình chuyển giao sẽ xảy ra và anten sẽ thiết lập kênh truyền với trạm E- NodeBn+1.
Với phương án bố trí anten trên tàu này ngoài triệt được tần số Doppler như thể hiện ở phần kết quả dưới đây thì nó còn đảm bảo được 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 lượt chuyển giao tới E-NodeB kế tiếp thì 2 anten ở cuối tàu vẫn đang trong vùng phủ sóng của E-NodeB hiện tại. Bên cạnh đó vì các E-NodeB sử dụng cùng tần số hay nói cách khác sử dụng phương án phủ sóng đơn SFN (Single Frequency Network). Trong SFN tất cả các cell của hệ thống hoạt đồng cùng một tần số. Điều này là hợp lý, bởi vì toàn bộ tàu có thể được coi như là một người sử dụng đầu cuối. Giả thiết rằng tất cả các BS trong hệ thống SFN được đồng bộ với nhau. Nó có thể dễ dàng ứng dụng phương thức truyền/nhận đa điểm kết hợp (CoMP). Trong phương thức này, hai cell liền kề tạo thành một bộ truyền kết hợp, ở đó hai eNode- B hoat động kết hợp. Tần số giống nhau được sử dụng để gửi dữ liệu tới một tàu trong cùng E-NodeB, vì vậy chuyển giao mềm xảy ra ở phần biên giới giữa hai cell. CTS tái cấu trúc liên tục dọc theo hướng di chuyển của tàu. Chỉ một tần số được sử dụng trong một tàu do đó chuyển giao có thể liên tục. Vì vậy phương án này thông tin điều khiển giữa đoàn tàu và mặt đất luôn được liên tục dù quá trình chuyển giao có xảy ra lỗi.
Do quá trình chuyển giao giữa các nhóm anten đặt ở đầu tàu và đặt ở đuôi tàu là không đồng thời nên sẽ tồn tại 2 trạng thái của tàu dựa theo chuyển giao của anten như sau:
Trạng thái 1: Đầu tàu và đuôi tàu cùng nằm ở cùng một vùng giữa 2 E-NodeB với nhau (như hình 2-11) tương ứng với ∈ [ ; ].
55 cos = − ( − ) + ℎ (2.6) cos = − + ( − + ) + ℎ (2.7) cos = − √ + + ℎ (2.8) cos = − ( ) (2.9)
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 hưởng chính đến độ dịch tần Doppler chính là giá trị của cos . Vì h, w là các đại lượng rất nhỏ hơn so với nên s