chuyển giao cho LTE khi nó ứng dụng trong môi trường đường sắt tốc độ cao để
đáp ứng các yêu cầu về dịch vụ QoS (Quality of service) và RAMS (Reliability Availability Maintainability Safety). Cơ chế chuyển giao LTE trong môi trường đặc biệt này phải liên tục, nhanh và tối thiểu việc mất gói tin. Có hai phương án để cải
thiện tỷ lệ lỗi chuyển giao trong khi tối thiểu thời gian chuyển giao trong môi trường tốc độ cao. Phương án một là thực hiện cơ chế chuyển giao mềm SHO (Soft Handover) trong LTE, phương án này bao hàm mỗi đầu cuối người sử dụng kết nối với hai eNode cùng một thời điểm, phương án này tốn nguồn tài nguyên tần số và phức tạp hơn tuy nhiên trong môi trường đường sắt thì điều này có thể chấp nhận [37]. Phương án thứ hai là tập trung vào việc tối ưu hóa các cơ chế HHO trong LTE để giảm thiểu việc mất bản tin, giảm số lần chuyển giao, giảm thời gian chuyển giao trong môi trường tốc độ cao [38]
1.2.2. Mô hình kênh
Trong tiêu chuẩn LTE của [39], mô hình kênh cho HSR được trình bày chỉ bao
gồm hai kịch bản là không gian tự do và đường hầm nên mô hình kênh không fading được sử dụng trong cả hai kịch bản này. Tuy nhiên, như được chỉ ra bởi [40], các yêu cầu nghiêm ngặt (vận tốc cao và đường ray trải dài…) của HSR dẫn đến nhiều môi trường đặc thù khác nhau, chẳng hạn như cầu cạn, cầu cắt ngang, và đường hầm. Đặc điểm truyền dẫn trong các ngữ cảnh này khác biệt với các mạng
29 thông tin tế bào cộng cộng truyền thống và có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng hệ thống của GSM-R và LTE-R. Trước đây, một số phép đo được tiến hành để mô hình hóa các kênh HSR cho băng tần GSM-R, và một mô hình suy hao đường truyền và fading shadowing được đề xuất trong [41] và [42] cho GSM-R tại 930 MHz. Tuy nhiên, công việc này vẫn đang tiếp diễn và nhiều vấn đề khoa học vẫn chưa được giải quyết tại băng tần LTE-R, ví dụ như mất truyền, phân bố hình học các thành phần đa đường và ước lượng góc hai chiều / ba chiều cho những môi trường đặc trưng HSR đó. Do đó việc nghiên cứu một loạt các mô hình kênh cho HSR vẫn đang được nghiên cứu trong đó mỗi mô hình kênh phổ biến đều có phạm vi ứng dụng và tác động khác nhau cụ thể như
- Nhiễu AWGN (Additive White Gauss Noise). Nhiễu Gauss trắng cộng tồn tại trong hầu hết các hệ thống thông tin được cộng vào tín hiệu được phát đi và mô tả tương quan thời gian của nhiễu. Về đặc điểm thì nếu mô phỏng mà chỉ có AWGN thì là đang mô phỏng một kênh rất tốt.
- Rice (kênh Rice): dùng để mô tả kênh vô tuyến mà có yếu tố truyền thẳng (có thể truyền tín hiệu thẳng từ máy phát đến máy thu mà không bị che chắn), tất nhiên có cả các yếu tố đa đường thông thường. Kênh này kiểu như mô tả chất lượng kênh ở mức trung bình.
- Rayleigh (kênh Rayleigh) là kênh tổng hợp của các kênh bao gồm cả các 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