đường phản xạ, nhiễu xạ, khúc xạ mà ko chứa đường LOS (Line-of-Sight).
1.2.3. Tính di động cao
Tàu cao tốc thường chạy ở tốc độ 350 km/h và LTE-R được thiết kế để hỗ trợ 500 km/h. Tốc độ cao dẫn đến một loạt các vấn đề. Thứ nhất, vận tốc cao dẫn đến kênh không tĩnh, bởi vì trong một khoảng thời gian ngắn, tàu đi qua một khu vực rộng lớn, nơi các thành phần tia truyền sóng đa đường MPC thay đổi đáng kể. Đặc tính không tĩnh có tầm quan trọng đặc biệt vì nó ảnh hưởng đến BER trong hệ thống đơn sóng mang và đa sóng. Thứ hai, vận tốc cao dẫn đến sự dịch chuyển của tần số nhận được, được gọi là sự dịch tần Doppler. Ví dụ, nếu tần số là 2,6 GHz, tốc độ di chuyển tối đa ở 350 km/h là 843 Hz, trong khi đó chỉ là 24 Hz cho người đi bộ với
30 tốc độ là 10 km/h. Dịch tần Doppler lớn dẫn đến sự dịch chuyển pha của tín hiệu. Thứ ba, độ trải Doppler lớn trong LTE-R dẫn đến suy giảm tỷ số tín hiệu-nhiễu- cộng-nhiễu và có thể cản trở việc khôi phục lại tín hiệu và đồng bộ sóng mang.
Khi đầu cuối di chuyển tốc độ cao thì tần số Doppler sinh ra càng lớn. Trong khi đó hệ thống LTE sử dụng kỹ thuật điều chế trực giao đa sóng mang con OFDM điều chế tín hiệu. Mà OFDM lại rất nhạy cảm với dịch tần Doppler, vì nó có thể làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con gây ra ICI làm ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Nên việc nghiêu cứu ước lượng và bù tần số Doppler đang là chủ đề được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm.
1.3. Các nghiên cứu về CFO/ICI trong thông tin vô tuyến HSR 1.3.1. Tác động của dịch tần Doppler lên OFDM
Như đã đề cập ở trên UIC đã chọn LTE (4G) là hệ thống thông tin vô tuyến đường sắt LTE-R thế hệ tiếp theo thay cho GSM-R bỏ qua 3G. Kỹ thuật điều chế then chốt của LTE là OFDM, đây là kỹ thuật điều chế tín hiệu đạt hiệu quả BW lớn bằng việc chia phổ tần (spectrum) thành các sóng mang con (sub-carriers) trực giao với nhau thay vì truyền luồng dữ liệu tốc độ cao với một sóng mang (carrier). Tín hiệu băng tần cơ sở cần truyền được điều chế với sóng mang tần số fc sau đó được phát đi qua kênh truyền đến bên nhận, tín hiệu băng thông nhận được này sẽ hạ tần xuống băng tần cơ sở nhờ bộ dao động tần số fc trong máy thu. Nói chung có hai loại nhiễu xảy ra trong tín hiệu: một là nhiễu pha do sự không ổn định của bộ tạo tần số sóng mang ở cả máy phát và máy thu, hai là độ dịch tần số sóng mang carrier CFO gây ra bởi hiệu ứng Doppler.
Khi tàu di chuyển với tốc độ cao, hiệu ứng Doppler gây ra dịch tần CFO, làm ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tần số Doppler được tính theo biểu thức sau:
= . . cos = . cos (1.1)
Trong đó:
: là tần số Doppler (Hz) : là tần số sóng mang (Hz)
31
: là vận tốc chạy tàu (km/h), (m/s)
c : là vận tốc ánh sáng ( 3.108 m/s)
(độ): là góc hợp bởi hướng di chuyển của tàu và đường nối từ tàu tới BS.
Giả sử bộ tạo tần số sóng mang ở phía phát và phía thu là đồng bộ. Gọi fc, f’c lần lượt là tần số sóng mang trong máy phát và máy thu, khi đó là độ dịch của tần số sóng mang giữa máy phát và máy thu ( = fc - f’c= ).
(Hz)
(d
B
)
Dịch tần chuẩn hóa CFO là , tỷ lệ của CFO trên các sóng mang con với khoảng
cách ∆ ( = /∆ ).
Hình 1-6 cho thấy rằng sự dịch tần trong tín hiệu ở miền tần số ε [ ] sẽ dẫn đến nhiễu giữa các sóng mang con (ICI), có nghĩa là tần số sóng mang con bị ảnh hưởng bởi các thành phần sóng mang con khác.
Coi = + . Trong đó và biểu thị phần nguyên và phần phân số của
tương ứng. Đối với tín hiệu miền thời gian [ ] một CFO của gây ra độ dịch pha là 2 nε, tỷ lệ thuận với và chỉ số thời gian n. Lưu ý rằng nó tương đương với một sự thay đổi tần số là - trên tín hiệu tần số miền [ ]. Đối với tín hiệu truyền là
[ ] hiệu quả của trên tín hiệu thu được [ ] được tóm tắt trong bảng 1.4.
Bảng 1.4. Ảnh hưởng của CFO trong tín hiệu nhận được[43]
Tín hiệu máy thu Ảnh hưởng của CFO trên
32 tín hiệu máy thu
Tín hiệu miền thời gian [ ] / [ ]
Tín hiệu miền tần số [ ] [ − ]
Với giả định rằng chỉ có CFO của tồn tại giữa máy phát và máy thu, mà ε không có bất kỳ nhiễu pha nào. Tín hiệu nhận được trong miền thời gian có thể viết như sau:
[ ] = 1 [ ] [ ]e ( ) + [ ] ( 1.2)
Trong đó: [k]: Là symbol truyền đi thứ tại sóng mang con thứ k. (l [ ]: đã được mã hóa); [ ]: là thành phần nhiễu tác động lên symbol OFDM thứ l.
Mô hình cấu trúc symbol OFDM Tsymbol
1 ……….. l- 1 L l +1 ………..
Ts Sóng mang con thứ k
Hình 1-7. Cấu trúc Symbol OFDM
Ta biết rằng CFO chuẩn hóa có thể được chia thành hai phần: phần nguyên CFO (IFO) và phân số CFO (FFO) .Trong phần dưới đây thể hiện sự ảnh hưởng của từng thành phần đến tín hiệu thu được trong miền tần số.
- Ảnh hưởng của phần nguyên độ dịch tần số sóng mang-Integer Carrier Frequency Offset (IFO).
Hình 1-7 minh họa việc truyền các mẫu { [ ]} và bị ảnh hưởng của IFO
của . Điều này dẫn đến tín hiệu nhận là e ( ) . [ ] trong máy thu. Do ảnh 1 2 ….. k …. N-1
33 hưởng IFO, tín hiệu truyền X[k] là sự dịch chuyển tuần hoàn bởi trong máy thu và do đó tạo ra X[k- ] trong các sóng mang con thứ k. Trừ khi sự dịch tần được bù, còn không nó sẽ phải chịu sự suy giảm đáng kể trong hệ thống thông qua BER.
Tuy nhiên, lưu ý rằng tính trực giao giữa các thành phần tần số sóng mang con không bị phá hủy. Do đó, ICI không xảy ra.
N-Point IFFT (Bên phát) N-Point FFT (Bên thu) 2 i / j n N e 2 0/ [0] j i N l x e 2 1/ [1] j i N l x e 2 2/ [2] j i N l x e 2 (N 2) / [N 2] j i N l x e 2 (N 1)/ [N 1] j i N l x e [0 ] l i X [1 ] l i X [2 ] l i X [ 2 ] l i X N [ 1 ] l i X N [0] l x [1] l x [2] l x [ 2] l x N [ 1] l x N [0] l X [1] l X [2] l X [ 2] l X N [ 1] l X N
Hình 1-8. Ảnh hưởng của phần nguyên CFO trong tín hiệu máy thu[43]
- Ảnh hưởng của phân số độ dịch tần số sóng mang- Fractional Carrier Frequency Offset (FFO).
Lấy FFT của { [n]} trong biểu thức (1-2), tín hiệu máy thu trong miền tần số FFO của có thể được viết như sau [43]:
[k] = FFT { [n]} = [ ]e ⁄
= ∑ [ ] [ ]. . ⁄ . + [ ] ⁄
34 = [ ] [ ] ∑ ⁄ + ∑ , [ ] [ ]∑ ⁄ + [ ] = ⁄ [ ] [ ] + ∑ , [ ] [ ] (( ) ⁄) + [ ] = ⁄ ⁄ ⁄ [ ] [ ] + ∑ , [ ] [ ] ( ( )) ⁄ ( ⁄ ( ) ⁄ ) + [ ] = ( )⁄ ⁄ [ ] [ ] + ( )⁄ ( ( − + )) ( ( − + )⁄ ) , [ ] [ ] ( )( )⁄ + [ ] = ( / ) ( )/ H[ ]k [ ]+ k [k] + [k] (1.3) [ ] = ( )∑ , ( ( )) ( ( )/ ) [ ] [ ] ( )( ) (1.4) Thành phần đầu tiên trong biểu thức (1.3) đại diện cho biên độ và độ lệch pha của thành phần tần số sóng mang con thứ k do ảnh hưởng FFO. Trong khi đó, [ ] biểu thức (1.3) đại diện cho ICI từ các sóng mang con khác tác động lên thành phần tần số sóng mang thứ k, sự trực giao giữa các thành phần tần số sóng mang con không được duy trì do FFO. Hình 1-8 cho thấy ba symbol OFDM liên tiếp với các
giá trị FFO khác nhau với giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của kênh truyền, STO và nhiễu được bỏ qua. Rõ ràng từ con số này mà biên độ và lệch pha trở nên nghiêm trọng khi FFO tăng, để thấy rõ tác động của ICI lên hệ thống.
35
Hình 1-9. Symbol nhận được với khác nhau[43]
Rõ ràng hiệu ứng Doppler sinh ra dịch tần Doppler và nó có mặt trong thành phần tín hiệu nhận được ở máy thu.
1.3.2. Mối liên quan giữa CFO và SNR
Theo [44] dịch tần Doppler gây ảnh hưởng tới SNR thể hiện trong biểu thức sau: 2 0 10 ( fT) 3ln10 b freq E D N (1.5)
Trong đó Dfreq(Hz), T(s), Eb và N0 lần lượt là Dịch tần Doppler, chu kỳ symbol của tín hiệu OFDM, năng lượng trên bit và mật độ phổ công suất nhiễu
Ảnh hưởng của dịch tần Doppler tương tự như ảnh hưởng của nhiễu vì nó gây ra suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu tương tự như dạng của biểu thức (1.6)
0
b
E S N R
N (1.6)
1.3.3. Các nghiên cứu về CFO/ICI
Kỹ thuật OFDM cũng có những hạn chế đặc biệt là nhạy cảm với dịch tần số (CFO) như đã trình bày ở trên. CFO được sinh ra bởi hai nguyên nhân chính. Thứ nhất là sự không đồng bộ tần số giữa các bộ dao động tại máy phát và máy thu, kết quả là CFO còn lại ở máy thu sau quá trình xử lý tín hiệu. Nguyên nhân thứ hai là dịch tần Doppler, là kết quả của hiệu ứng Doppler do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu [45, 46]. CFO chuẩn hóa có thể được chia thành hai phần: phần nguyên CFO (IFO) và phần phân số CFO (FFO). IFO tạo ra một sự thay đổi theo chu kỳ từ phía người nhận đến sóng mang con tương ứng. Nó không phá
36 hủy trực giao giữa các sóng mang con. Tuy nhiên, FFO thì phá hủy trực giao giữa các sóng mang con [39], sự phá hủy này sẽ tạo ra nhiễu ICI (Inter-Carrier Iinterference). ICI có nghĩa là một sóng mang con bị ảnh hưởng bởi các sóng mang con khác trong các hệ thống OFDM và nhiễu ICI này có thể gây ảnh hưởng xấu hơn cả ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống thể hiện ở biểu thức (1.5). Đó là lý do tại sao nhiều thuật toán ước lượng và bù CFO khác nhau đã được đề xuất, những phương pháp này có thể được phân thành hai nhánh chính: nhánh một là các phương pháp ước lượng và bù CFO trong miền thời gian hay còn gọi là ước lượng và bù trước FFT và nhánh thứ hai là các phương pháp tiếp cận trên miền tần số hay còn gọi là sau FFT. Phương pháp trước FFT yêu cầu tính toán ít hơn vì không cần xử lý FFT nên việc ước lượng và bù CFO nhanh hơn.
Nhánh trước FFT có thể được phân thành hai loại: không hỗ trợ dữ liệu (NDA- Non-Data-Aided) và hỗ trợ dữ liệu (DA-Data-Aided) [47]. Các phương pháp NDA khai thác những điểm tương tự giữa phần tiền tố cyclic (CP) và phần dữ liệu tương ứng của một ký hiệu (Symbol) OFDM nhận được để ước lượng FFO [48]. Phương pháp này có thể sử dụng để ước lượng cả dịch thời gian. Các phương pháp NDA sử dụng CP chỉ có thể ước tính CFO trong khoảng ± 0.5 [49]. Các phương pháp DA sử dụng một chuỗi các symbol đã biết được chèn vào phần đầu của mỗi gói OFDM để ước lượng CFO. Nhược điểm của các phương pháp DA là hiệu quả truyền dẫn giảm do chèn vào các symbol. Tuy nhiên phương pháp này ước lượng CFO kết quả tốt hơn và phạm vi ước lượng rộng hơn NDA, phạm vi trong khoảng khoảng ± 1 [50].
Các phương pháp trên chỉ phù hợp với đầu cuối di chuyển tốc độ thấp còn khi tàu di chuyển tốc độ nhanh với yêu cầu khắt khe hơn về cả thời gian và chất lượng thì các phương pháp này không còn phù hợp.
1.3.3. Các nghiên cứu đã công bố về CFO trong LTE-R
Khi nghiên cứu ứng dụng LTE vào đường sắt tốc độ cao ngày nay để cung cấp thông tin vô tuyến băng rộng cho điều độ tàu để đảm bảo tàu chạy nhanh nhưng vẫn an toàn và hiệu quả thì đường truyền thông tin vô tuyến đoàn tàu mặt đất cần đảm bảo liên tục, hai chiều, thời gian thực, dung lượng lớn.
37 Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn là độ chính xác của việc ước lượng kênh. Khi tàu di chuyển với tốc độ khoảng 500 km/h, các kênh vô tuyến chịu một lượng dịch tần Doppler cao và nó sẽ làm tăng độ khó cho việc ước lượng kênh. Trong môi trường di động cao, các kênh vô tuyến đều có lựa chọn tần số và
thay đổi nhanh theo thời gian, còn được gọi là kênh chọn lọc kép[51, 52]. Như chúng ta đã biết chất lượng ước lượng kênh có tác động lớn đến hiệu năng tổng thể của hệ thống và dịch tần Doppler là một trong những thông số quan trọng của ước lượng kênh, nên việc ước lượng dịch tần Doppler tin cậy trong môi trường di động cao là rất cần thiết và đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu thế giới. Trong đường sắt tốc độ cao, tàu di chuyển với vận tốc ngày càng cao thì hiệu ứng Doppler sẽ sinh ra CFO lớn nên việc ước lượng CFO trong thời gian ngắn là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu. Có 4 phương pháp chính ước lượng CFO trong kênh thời gian thay đổi nhanh tuy nhiên mỗi phương pháp đều có ưu điểm và tồn tại nhược điểm riêng cụ thể như sau:
- Phương pháp tỉ lệ vượt mức LCR (Level Crossing Rate)[53]
Phương pháp này cải tiến phương pháp LCR thông thường. Nó bao gồm LCR thông thường và thêm vào quá trình triệt nhiễu thích nghi Doppler (DANS). Đề xuất này xử lý nhiễu dịch tần Doppler này trong miền tần số và nó triệt được đáng kể. Quá trình triệt nhiễu này chỉ sử dụng thông tin tần số Doppler phản hồi tối đa từ đầu ra của bộ ước lượng LCR. Phương pháp này đặc biệt có hiệu quả ở vùng SNR thấp và môi trường tán xạ không định hướng. Tuy phương pháp này tăng được độ chính xác nhưng cũng tăng độ phức tạp trong việc ước lượng, bên cạnh đó phương pháp này xử lý nhiễu Doppler trong miền tần số nên thời gian ước lượng cũng sẽ lớn.
- Phương pháp khả năng tối đa Maximum Likelihood [54]
Việc ước lượng dịch tần Doppler lớn nhất dựa trên thuật toán khả năng đúng lớn nhất (ML). Việc ước lượng có thể được triển khai thông qua ngân hàng bộ lọc có hệ số có thể được lưu trữ trong bộ nhớ hệ thống để thực hiện độ phức tạp thấp. Nhiều thông số thiết kế được liên kết với thuật toán được đề xuất có thể điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu hiệu năng khác nhau. Tuy nhiên đề xuất này cũng thực hiện
38 trên miền tần số dựa trên các pilot có sẵn nên việc tính toán vẫn phức tạp và khó ứng dụng vào thực tế.
- Phương pháp hàm tương quan [55]
Phương pháp này dựa vào sự tương quan tự động của Cycle prefix (CP) để ước lượng trải Doppler trên kênh fading Rayleigh, phương pháp này không cần thêm dữ liệu hay pilot. Tuy nhiên phương pháp này không phù hợp với dịch tần Doppler nhỏ đặc biệt là SNR thấp.
-Phương pháp dựa trên ước lượng kênh[56]
Nhóm tác giả đề xuất việc sử phương pháp ước lượng kênh tự tương quan sử dụng giả thiết thực nghiệm để ước lượng trải Doppler. Tuy nhiên đề xuất này có nhược điểm chỉ hiệu quả với tấn số dịch tần Doppler thấp.
Gần đây có một công trình nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới đề xuất việc xử lý ICI trong đường sắt tốc độ cao như.
(1). Ước lượng và bù tần số Doppler trong LTE-R [57]: phương pháp này ước lượng CFO trong tín hiệu nhận được sau đó truyền giá trị CFO này về cho RRU, RRU lấy giá trị CFO vừa nhận được bù trước cho tín hiệu truyền đi. Tuy nhiên phương pháp này chưa khẳng định được độ chính xác.
B
d
s
d
d V ị trí tàu ban đầu
RRU1 RRU2
39
Truyền dữ liệu
Bù trước cho dữ liệu mới sử dụng giá trị vừa ước lượng được
Ước lượng CFO từ dữ liệu nhận được Giá trị phản hổi CFO Nhận dữ liệu đã bù RRU 1 2 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.