3 MRS
Hình 1- . Lưu đồ bù Doppler của [57] 11
(2).Ước lượng tần số Doppler trong HSR sử dụng anten tuyến tính phạm vi lớn: Trong đề xuất này mô hình kênh lý thuyết được xây dựng với hệ số kênh, hướng sóng đến (DOA) và sự thay đổi Doppler trong hệ thống thông tin vô tuyến HSR với ăng-ten thu tuyến tính lớn. Nhóm tác giả đã đề xuất một phương pháp cải tiến ước lượng tần số Doppler và nó dựa trên DFT để tái tạo lại tín hiệu nhận được. Một thuật toán xoay pha đã được đề xuất cải thiện độ chính xác của việc ước lượng này. Phương pháp này độ chính xác cao nhưng phải sử dụng nhiều anten nên giá thành cao. Ngoài ra việc xử lý tín hiệu ở băng tần cơ sở nên độ phức tạp tính toán còn lớn [58]
40
(3).Tối thiểu hóa tần số Doppler trong HSR sử dụng anten định hướng [59]. Phương pháp này đề xuất việc triệt dịch tần Doppler ở trong tín hiệu tới máy thu đặt trên tàu bằng cách trang bị anten định hướng ở trên đầu tàu và đuôi tàu như trong
hình 1-12 hoặc trang bị anten định hướng như trên hình 1-13. Các RU đặt dọc đường ray và được trang bị anten hai hướng như trên hình 1-14. Phương án đề xuất này triệt được phần lớn dịch tần Doppler tuy nhiên khi một trong hai anten chuyển giao thì tần số Dopper không được xử lý.
Hình 1-12 hai anten định hướng được đặt ở đầu tàu và đuôi tàu, anten đầu tàu hướng về RU phía trước, anten đuôi tàu hướng về RU phía sau.
Hình 1- . Mô hình triệt CFO sử13 dụng 2 anten của [59]
Hình 1-13 sử dụng một anten hai hướng thay vì hai anten như trong mô hình 1- 12 một hướng về RU phía trước và một hướng về RU phía sau
41
Hình 1-15. Mô hình bố trí anten Ru của [59]
(4).Khử ICI dựa trên bộ san bằng kênh thích nghi cho kênh biến đổi nhanh trong LTE-R [60]. Bài báo đề xuất một phương pháp san bằng kênh thích nghi nhằm triệt nhiễu liên kênh ICI trong hệ thống LTE-R sử dụng công nghệ OFDM. Trong đó tác giả đã sử dụng phỏng tạo kênh biến thiên nhanh theo thời gian theo kịch bản, mô hình WINNER II [61]. Trong phương pháp này chuỗi huấn luyện tối ưu được sử dụng và phương pháp san bằng kênh thích nghi đề xuất ở bên thu. Phương pháp này vẫn xử lý tín hiệu băng gốc ở bên thu do đó đòi hỏi tốc độ xử lý khá nhanh để thích nghi với điều kiện kênh truyền trong hệ thống LTE-R. Tuy nhiên phương pháp này có độ phức tạp tính toán vẫn cao và chưa triển khai trên phần cứng để kiểm nghiệm tính khả thi của đề xuất. Phương pháp này không bù dịch tần Doppler trong hệ thống LTE-R do đó vẫn xảy ra dịch tần Doppler tại bên thu làm cho chất lượng hệ thống bị suy giảm.
1.4. Kết luận chương 1
LTE-R được lựa chọn để cung cấp các dịch vụ thông tin vô tuyến băng rộng cho cả điều khiển chạy tàu, kinh doanh vận tải và hành khách trong đường sắt tốc độ cao. Tuy LTE đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới, cũng như ở Việt Nam
để cung cấp các dịch vụ thông tin vô tuyến băng rộng cho thiết bị đầu cuối di chuyển chậm, nhưng để triển khai LTE trong HSR thì còn có một số vấn đề cần được nghiên cứu cho phù hợp với vận tốc chạy tàu ngày càng nhanh và ngữ cảnh đường sắt. Đường truyền thông tin vô tuyến giữa đoàn tầu và mặt đất là nút thắt trong hệ thống thông tin vô tuyến trong đường sắt tốc độ cao. Vì vậy để ứng dụng được LTE trong HSR thì việc nghiên cứu dịch tần Doppler là một trong những công việc thiết yếu. Hiện nay các nhà nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu các vấn đề
42 như chuyển giao, ước lượng kênh, dịch tần Doppler trong thông tin vô tuyến HSR. Trong luận án này nghiên cứu ảnh hưởng của dịch tần Dopler trong HSR sau đó đề xuất mô hình, thuật toán để triệt, bù dịch tần Doppler trong HSR. Các nội dung này được trình bày cụ thể trong chương 2 và chương 3.
43
2CHƯ ƠNG 1: CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG DOPPLER
VÀ MÔ HÌNH TRIỆT, BÙ CFO TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN HSR
2.1. Khá i quát chung
OFDM là kỹ thuật điều chế then chốt trong hệ thống LTE vì nó có các ưu điểm như, tăng hiệu quả sử dụng băng thông, hạn chế fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang con chỉ chịu fading phẳng, chống được nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM, sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT, có thể truyền dữ liệu tốc độ cao. Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có nhược điểm như nhạy với dịch tần số (offset), chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang con. Vì vậy OFDM rất nhạy với dịch tần Doppler. Trong hệ thống thông tin vô tuyến đường sắt tốc độ cao tàu chạy với tốc độ lớn hơn 200Km/h gây ra dịch tần Doppler lớn. Trong chương này trình bày dịch tần Doppler thay đổi và tác động như thế nào lên hệ thống thông tin vô tuyến trong đường sắt tốc độ cao. Từ đó đề xuất các mô hình triệt, bù dịch tần Doppler trong hệ thống thông tin vô tuyến đường sắt tốc độ cao.
2.2. Dịch tần Doppler trong thông tin vô tuyến đường sắt tốc độ cao 2.2.1. Phân tích sự dịch tần Doppler trong HSR
Việc nghiên cứu đặc tính của dịch tần Doppler trong đường sắt tốc độ cao là một trong những công việc quan trọng nhất của hệ thống tin vô tuyến bởi vì nó không những là nguyên nhân gây ra mất trực giao của các sóng mang con gây ra ICI ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống mà nó còn ảnh hưởng đến sự chính xác và tin cậy trong việc mô hình hóa kênh trong thông tin vô tuyến HSR cũng như ảnh hưởng đến điều khiển tàu. Phần này phân tích đặc tính dịch tần Doppler theo ngữ cảnh thực tế của đường sắt như:
- Tàu luôn di chuyển trên đường ray cố định và hướng di chuyển của tàu đã biết trước.
- Tốc độ của tàu thay đổi chứ không cố định là hằng số như giả thiết của các nhà nghiên cứu trước đây, các trường hợp điển hình thay đổi tốc độ của tàu là tàu bắt đầu rời ga vận tốc của tàu sẽ tăng, tàu chạy ở vận tốc không đổi trong điều kiện bình thường, tàu sẽ hãm khi gặp sự cố và tàu sẽ giảm tốc khi tới ga đến. Nếu biết được
44 sự thay đổi của Doppler theo thời gian tàu chạy, có thể xác định chính xác ảnh hưởng của dịch tần Doppler lên hệ thống HSR. Trong phần nghiên cứu này nghiên cứu 4 trường hợp điển hình thay đổi vận tốc xảy ra trong thực tế đường sắt như sau:
- Trường hợp 1: Tàu khởi động khi rời ga với gia tốc a = 0,5m/s2 cho đến khi đạt vận tốc 100m/s.
- Trường hợp 2: Tàu chạy với vận tốc không đổi 100m/s (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Trường hợp 3: Tàu đang chạy với vận tốc 100m/s thì giảm tốc độ với gia tốc a= -0,6m/s2 khi về tới ga
- Trường hợp 4: Tàu đang chạy với vận tốc 100m/s thì giảm tốc đột ngột với gia tốc a= -0,9m/s2 khi tàu gặp sự cố
Trong cả 4 trường hợp, khi tàu di chuyển hiệu ứng Doppler sinh ra dịch tần số Doppler và giá trị dịch tần này sẽ thay đổi theo thời gian được thể hiện bằng biểu thức (2.1). Tần số Doppler ngoài phụ thuộc vào vận tốc di chuyển của tàu nó còn phụ thuộc vào góc cos theo như biểu thức (2.1). Trong đó ( ), v(t), ( ) là
tân số, vận tốc, góc cos thay đổi theo thời gian
( ) = ( ) ( ) (2.1)
Hình 2-1. Mô hình bố trí E-node B
Khi tàu bắt đầu chuyển động lúc rời ga ở trường hợp 1 với gia tốc a=0,5m/s2tàu chuyển động thẳng đều, vận tốc của tàu là:
( ) = + at (2.2)
45
( ) = . + a (2.3)
Trong đó s(t) là quãng đường đi thay đổi theo tời gian, (t) là góc giữa sóng tới và hướng di chuyển của tàu theo thời gian, được biểu thị qua biểu thức:
cos ( ) = ( )
( ( )) với s(t)< Ds (2.4)
Cos ( ) = cos (t mod ) với s(t)>Ds (2.5) Với: Dmin (m) là khoảng cách từ trạm E-NodeB tới đường tàu, Ds(m): khoảng cách giữa hai trạm E-NodeB
Ba trường hợp còn lại góc cos (t) cũng thay đổi theo vận tốc tương tự như trường hợp 1.
2.2.2. Mô phỏng và kết quả
Trong đường sắt tốc độ cao HSR khác với hệ thống thông tin di động công cộng các trạm thu phát vô tuyến được lắp đặt cạnh đường ray nên luôn tồn tại tia nhìn thẳng LoS nên mô hình kênh Rice được lựa chọn để mô phỏng trong luận án này. Bằng việc sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab với kênh mô phỏng là kênh Rice và các thông số mô phỏng được lựa chọn dựa trên các ứng dụng thực tế của đường sắt cao tốc như bảng 2.1. Như bán kính cell trong đường sắt tốc độ cao trên thế giới thường từ 1 đến 5 km tùy tuyến và tùy địa hình. Sự thay đổi tần số Doppler và BER của hệ thống được thể hiện ở các Hình 2-2, Hình 2-3, Hình 2-4, Hình 2-5, Hình 2- 6, Hình 2-7, Hình 2-8 và Hình 2-9 dưới đây.
Bảng 2.1. Các thông số mô phỏng dịch tần Doppler
Thông số Giá trị
Bán kính cell 1000 m
Chiều cao anten trên tàu 3 m
Chiều cao anten Ru 6,5m
Khoảng cách giữa Ru và đường ray 5m
Vận tốc cao nhất của tàu v=100 m/s = 360 km/h
46
Phương thức điều chế QPSK
Khoảng cách giữa các sóng mang con ∆ =7,5 kHz
Tần số lấy mẫu 15,36 MHz
Tần số sóng mang 2,6 GHz
Khoảng bảo vệ ¼ chu kỳ Symbol (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tần số Doppler lớn nhất 866 Hz
Kênh truyền Rice với K=8
Hình 2-2 và Hình. 2-3, thể hiện đường cong tần số Doppler và đồ thị BER khi tàu chạy với sự tăng tốc với gia tốc tăng là 0,5m/s2 tương ứng với trường hợp 1.
Hình 2-4 và Hình 2-5 thể hiện đường cong tần số Doppler và đồ thị BER khi tàu chạy với vận tốc không đổi 100m/s tương ứng với trường hợp 2.
Hình 2-6 và Hình 2-7 thể hiện đường cong tần số Doppler và đồ thị BER khi tàu chạy giảm tốc với gia tốc là -0,6 m/s2 tương ứng với trường hợp 3.
Hình 2-8 và Hình 2-9 thể hiện đường cong tần số Doppler và đồ thị BER khi tàu chạy giảm tốc với gia tốc là -0,9 m/s2 tương ứng với trường hợp 4.
Trường hợp 1:.
47 Hình 2-2 biểu thị đường cong Doppler khi tàu bắt đầu rời ga, nó sẽ tăng tốc độ