Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu triệt tần số doppler và khử nhiễu ICI trong hệ thống vô tuyến đường sắt tốc độ cao (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRỊNH THỊ HƢƠNG

NGHIÊN CỨU TRIỆT TẦN SỐ DOPPLER VÀ KHỬ NHIỄU ICI
TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN ĐƢỜNG SẮT TỐC ĐỘ CAO

Ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 9520208

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2018


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. VŨ VĂN YÊM

2. PGS.TS. NGUYỄN DUY VIỆT

Phản biện 1:

Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trƣờng họp tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện:
1. Thƣ viện Tạ Quang Bửu - Trƣờng ĐHBK Hà Nội
2. Thƣ viện Quốc gia Việt Nam


GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Đƣờng sắt tốc độ cao và thông tin vô tuyến cho đƣờng sắt tốc độ cao
Tàu tốc độ cao đang phát triển nhanh trên toàn thế giới đặc biệt ở một số nƣớc châu Âu nhƣ
Pháp, Đức, Ý; châu Á nhƣ Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan [1]…tại các nƣớc này,
họ đã phát triển đƣờng sắt cao tốc Quốc gia. Ngay ở Trung Quốc tính đến tháng 12 năm 2016 đã có
khoảng 22.000 km đƣờng sắt cao tốc và dự kiến đến năm 2020 sẽ tăng thêm 10.000km[2,3]. Trong
khi đó ở nƣớc ta, dự án đƣờng sắt tốc độ cao Hà Nội - TP Hồ Chí Minh đang đƣợc Chính phủ chỉ
đạo nghiên cứu và xây dựng.
Ngày nay, trong việc xây dựng thành phố thông minh, các phƣơng tiện giao thông thông minh
cần đƣợc kết nối tới các mạng truyền thông tin để truyền tải các thông tin thời gian thực cũng nhƣ
tín hiệu điều khiển và quản lý tự động các phƣơng tiện giao thông nhằm giảm ùn tắc giao thông,
phát hiện các vụ tai nạn và tránh những va chạm [4,5,6]. Trong khi đó, sự phát triển nhanh chóng
của các ứng dụng Internet vạn vật IoT (Internet of Things) mang tới những yêu cầu cho các thành
phố với mong muốn kết nối Internet mọi nơi, mọi lúc. Trong hệ thống đƣờng sắt tốc độ cao HSR
(High Speed Rail), sự kết hợp của trí tuệ nhân tạo AI (Artificial Intelligence) vào trong hệ thống
điều khiển và quản lý tàu cao tốc dẫn tới những yêu cầu quản lý từ xa tự động thời gian thực và
công nghệ giám sát phát triển. Trong các hệ thống đƣờng sắt hiện đại này, sử dụng các công nghệ
điều khiển tàu tiên tiến nhƣ điều khiển tàu tự động ATC (Automatic Train Control), điều khiển tàu
dựa trên thông tin CBTC (Communication Based Train Control) vì vậy yêu cầu về công nghệ
truyền thông vô tuyến cũng đòi hỏi kỹ thuật cao hơn, khắt khe hơn, nhƣ về băng thông, hiệu suất
băng thông, chất lƣợng, tốc độ…Trong khi đó hệ thống thông tin vô tuyến đa phƣơng thức ngày nay
chỉ đáp ứng một phần và tạm thời nhu cầu thông tin băng rộng của cả điều khiển tàu và hành khách
đi trên tàu bởi vì phần lớn các tuyến đƣờng sắt tốc độ cao sử dụng hệ thống thông tin di động toàn
cầu dành riêng cho đƣờng sắt GSM-R (Global System for Mobile Communications-Railway) hay


TETRA (Terrestrial Trunked Radio). Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến, thông tin
di động hiện nay nhƣ 3G, WiFi, WiMax kể cả hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G) phù hợp với
môi trƣờng có tốc độ di chuyển không cao của thiết bị đầu cuối ngƣời dùng. Đối với ngƣời sử dụng
di chuyển với tốc độ cao nhƣ hành khách trên HSR thì hệ thống thông tin di động hiện tại chƣa thể
cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, chất lƣợng tốt nhƣ với ngƣời dùng di chuyển tốc độ thấp.
LTE (Long Term Evolution) đã đƣợc UIC liên minh đƣờng sắt quốc tế (International Union of
Railways) lựa chọn là thế hệ tiếp theo để cung cấp thông tin vô tuyến cho HSR trở thành LTE-R
(Long Term Evolution- Railway)[26]. Có thể thấy rằng thông tin giữa đoàn tàu và mặt đất là nút
thắt của thông tin vô tuyến trong HSR. Các công nghệ tiên tiến đang đƣợc nghiên cứu, phát triển để
cung cấp đƣờng truyền vô tuyến băng rộng tin cậy và ổn định giữa tàu và trạm thu phát vô tuyến
mặt đất BS (Base Station). Để đạt đƣợc điều này có rất nhiều vấn đề cần đƣợc giải quyết vì khi tàu
chạy với tốc độ cao hiệu ứng Doppler sinh ra dịch tần Doppler lớn, trong khi đó điều chế đa sóng
mang trực giao OFDM là kỹ thuật điều chế then chốt của LTE mà kỹ thuật này lại nhạy cảm với
dịch tần Doppler, gây ra nhiễu ICI (Inter Carrier Interferrence) trong hệ thống, chuyển giao xảy ra
thƣờng xuyên, Fading nhanh trong hệ thống thông tin... Có nhiều nghiên cứu trên thế giới để giải
quyết các vấn đề xảy ra khi tàu chạy với tốc cao, trong nghiên cứu thuộc phạm vi luận án này tập
trung nghiên cứu về dịch tần Doppler do hiệu ứng Doppler trong đƣờng sắt tốc độ cao, sau đó đề
xuất mô hình triệt, bù CFO và đề xuất thuật toán ƣớc lƣợng dịch tần Doppler để tối thiểu nhiễu liên
sóng mang ICI trong hệ thống thông tin vô tuyến đƣờng sắt tốc độ cao.
Xu hƣớng phát triển đƣờng sắt tốc độ cao là rõ ràng thể hiện qua số lƣợng đƣờng sắt tốc độ cao
đƣợc xây dựng ở nhiều nƣớc trên thế giới, ở Việt Nam ta Chính phủ đã đồng ý chủ trƣơng xây dựng
tuyến đƣờng sắt tốc độ cao Hà Nội – Hồ Chí Minh. Trong khi đó chƣa có hệ thống thông tin vô
tuyến băng rộng dành riêng cho điều khiển tàu cũng nhƣ hành khách đi trên tàu. Do vậy, nhiệm vụ
của Luận án này là nghiên cứu hệ thống thông tin vô tuyến trên các tuyến đƣờng sắt tốc độ cao hiện
tại, xu hƣớng phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến trong tƣơng lai, dựa vào đó nghiên cứu và
đề xuất phƣơng án, thuật toán giải quyết vấn đề hiệu ứng Doppler trong môi trƣờng di chuyển tốc

1


độ cao của đƣờng sắt. Đây là một trong những vấn đề then chốt khi ứng dụng hệ thống thông tin
băng rộng nhƣ LTE vào trong đƣờng sắt tốc độ cao.
2. Những vấn đề còn tồn tại về hệ thống vô tuyến cho đƣờng sắt tốc độ cao
Hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay trong các tuyến đƣờng sắt tốc độ cao là hệ thống đa phức
hợp khác nhau ở các tuyến khác nhau [18-22]. Trong đó hệ thống thông tin vô tuyến đoàn tàu sử
dụng các công nghệ nhƣ GSM-R, TETRA là hệ thống thông tin di động băng hẹp, còn hệ thống
thông tin băng rộng phục vụ hành khách trên tàu sử dụng công nghệ vệ tinh, wifi.. các công nghệ
này cung cấp đƣờng truyền tốc độ khoảng từ 2 đến 4 Mb/s tùy thuộc vào từng tuyến. Trong khi đó
nhu cầu thông tin băng rộng cho cả điều khiển tàu và hành khách là 0,5 đến 5 Gbit/s [25]. Vì vậy
cần có một hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng để cung cấp các dịch vụ phục vụ nhu cầu phát
triển tất yếu của đƣờng sắt tốc độ cao.
Các nhà nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu ứng dụng LTE cho đƣờng sắt tốc độ cao. Hệ
thống thông tin này đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới cho các đầu cuối di chuyển tốc độ
thấp. Tuy nhiên khi ứng dụng vào môi trƣờng tốc độ cao của HSR thì cần phải giải quyết các vấn đề
phát sinh nhƣ chuyển giao xảy ra thƣờng xuyên, ƣớc lƣợng kênh trong môi trƣờng đặc biệt của
HSR, hiệu ứng Doppler sinh ra do đầu cuối di chuyển với tốc độ nhanh. Hiện nay, vấn đề dịch tần
Doppler trong HSR đang thu hút nhiều nhà nghiên cứu nhƣ [57-60], mỗi công trình đều có những
đóng góp riêng và nhƣợc điểm riêng. Vì vậy trong nghiên cứu của mình nghiên cứu sinh có kế thừa
những ƣu điểm của phƣơng pháp trƣớc và nghiên cứu đề xuất các mô hình, thuật toán triệt bù dịch
tần Doppler đƣợc thể hiện trong chƣơng 2 và chƣơng 3
3. Mục tiêu, đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu của luận án
Mục tiêu:
- Nghiên cứu đề xuất giải pháp triệt dịch tần Doppler trong hệ thống vô tuyến đƣờng sắt tốc
độ cao.
- Nghiên cứu thuật toán khử nhiễu liên sóng mang ICI do dịch tần Doppler gây ra trong hệ
thống thông tin vô tuyến cho đƣờng sắt tốc độ cao.
Đối tƣợng nghiên cứu
- Hệ thống đƣờng sắt tốc độ cao.
- Hệ thống điều khiển và thông tin dùng công nghệ vô tuyến trong đƣờng sắt tốc độ cao.
Phạm vi nghiên cứu
- Đƣờng sắt tốc độ cao với tốc độ di chuyển lên tới 550 Km/h
- Hệ thống thông tin, điều khiển tàu dùng công nghệ vô tuyến điều chế đa sóng mang trực
giao OFDM
- Dải tần UHF (Ultra High Frequency) cho thông tin và điều khiển tàu.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu từ lý thuyết, giải tích đến mô phỏng.
- Lý thuyết: Nghiên cứu hiệu ứng Doppler và phân tích hiệu ứng Doppler trong môi trƣờng
đƣờng sắt tốc độ cao từ đó đề xuất giải pháp, mô hình triệt Doppler.
- Mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab để kiểm chứng mô hình, thuật toán triệt
ICI do mình đề xuất.
4. Ý nghĩa khoa học và thƣc tiễn của đề tài
Đề tài nghiên cứu về vấn đề dịch tần Doppler trong thông tin vô tuyến đƣờng sắt tốc độ cao và
nhiễu ICI do hiệu ứng Doppler gây ra trong đƣờng sắt tốc độ cao. Trong đó tập trung đề xuất các
giải pháp nhằm triệt, bù dịch tần Doppler sử dụng các hệ thống anten định hƣớng bố trí phù hợp
trên các vị trí khác nhau của tàu và đặc biệt đề xuất thuật toán triệt can nhiễu ICI trong hệ thống
thông tin vô tuyến cho đƣờng sắt tốc độ cao. Chính phủ Việt Nam đang chỉ đạo nghiên cứu xây
dựng tuyến đƣờng sắt tốc độ cao đầu tiên Hà Nội- Thành phố Hồ Chí Minh nên đây là một hƣớng
nghiên cứu có tính thiết thực và cần thiết. Do đó đề tài này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
5. Bố cục của luận án
Nội dung chính của luận án đƣợc tổ chức thành 3 chƣơng nhƣ sau:

2


Chƣơng 1.Tổng quan về thông tin vô tuyến đƣờng sắt tốc độ cao. Trong chƣơng này trình bày
về tổng quan đƣờng sắt tốc độ cao nhằm cung cấp thông tin về tình hình phát triển đƣờng sắt tốc độ
cao trên toàn thế giới cũng nhƣ tại Việt Nam. Đồng thời trình bày về các hệ thống thông tin vô
tuyến hiện tại trong một số tuyến đƣờng sắt tốc độ cao tiêu biểu trên thế giới. Sau đó là đề cập đến
xu hƣớng phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến cho đƣờng sắt tốc độ cao trong tƣơng lai. Cuối
cùng là trình bày về sự ảnh hƣởng của môi trƣờng tốc độ cao lên hệ thống thông tin vô tuyến.
Chƣơng 2. Các giải pháp triệt dịch tần Doppler trong hệ thống vô tuyến đƣờng sắt tốc độ cao.
Trong chƣơng này nghiên cứu về ảnh hƣởng của hiệu ứng Doppler tác động lên OFDM trong môi
trƣờng đƣờng sắt tốc độ cao. Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab để mô phỏng đƣờng cong
Doppler với sự thay đổi vận tốc của tàu. Dựa vào đề xuất mô hình triệt và mô hình bù dịch tần
Doppler trong ngữ cảnh cụ thể của đƣờng sắt tốc độ cao.
Chƣơng 3. Thuật toán triệt nhiễu liên sóng mang trong hệ thống thông tin vô tuyến đƣờng sắt
tốc độ cao. Trong chƣơng này tập trung nghiên cứu, đề xuất thuật toán triệt ICI trong đƣờng sắt tốc
độ cao sử dụng công nghệ OFDM. Dựa trên việc tìm hiểu các công trình nghiên cứu liên quan tìm
ra thuật toán phù hợp với đƣờng sắt cao tốc, đề xuất mô hình, phân tích lý thuyết và cuối cùng là
mô phỏng kết quả nghiên cứu.
Phần cuối cùng của luận án là tóm tắt các kết quả nghiên cứu đƣợc trong quá trình làm nghiên
cứu sinh và trình bày về hƣớng phát triển của luận án trong tƣơng lai.
6. Các đóng góp của luận án
Những kết quả và đóng góp chính của luận án nhƣ sau:
1. Xây dựng, phân tích đƣờng cong Doppler trong môi trƣờng của đƣờng sắt tốc độ cao trong
4 trƣờng hợp thay đổi vận tốc điển hình của đƣờng sắt. Dựa trên đƣờng cong Doppler trong
4 trƣờng hợp thay đổi vận tốc điển hình của đƣờng sắt, luận án đã xây dựng, mô phỏng,
đánh giá hiệu năng hệ thống thông qua tỷ số lỗi bit BER trƣớc và sau khi bù dịch tần
Doppler.
2. Đề xuất giải pháp triệt dịch tần Doppler trong hệ thống vô tuyến đƣờng sắt tốc độ cao dựa
trên việc sử dụng các anten định hƣớng đặt ở các vị trí đầu tàu, cuối tàu kết hợp với việc
thay đổi kiến trúc thiết bị thu đặt trên tàu.
3. Đề xuất thuật toán triệt nhiễu liên sóng mang ICI trong hệ thống thông tin vô tuyến đƣờng
sắt tốc độ cao với công nghệ OFDM bằng việc ƣớc lƣợng kép CFO sau đó bù trƣớc CFO.

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN TRONG ĐƢỜNG SẮT
TỐC ĐỘ CAO
1.1. Hệ thống thông tin vô tuyến trên một số tuyến đƣờng sắt tốc độ cao
Ngày này đƣờng sắt tốc độ cao HSR đang phát triển trên toàn thế giới cùng với nó là việc ứng
dụng công nghệ điều khiển tàu tiên tiến để đảm bảo tàu chạy nhanh nhƣng vẫn an toàn và hiệu quả
nhƣ điều khiển từ xa và không ngƣời lái, trong đó hệ thống thông tin vô tuyến đóng vai trò quan
trọng nhƣ là dây thần kinh. Các công nghệ điều khiển hiện đại nhƣ công nghệ điều khiển tự động
ATC, công nghệ điều khiển tàu dựa trên thông tin CBTC với các chức năng nhƣ giám sát đƣờng ray
và giám sát video trên tàu (onboard video surveillance and track monitoring) đều cần có hệ thống
thông tin vô tuyến băng rộng thời gian thực liên tục và hai chiều. Bên cạnh đó, các hệ thống thông
tin ngoài phục vụ điều khiển chạy tàu còn một phần để quản lý giao thông nhƣ hệ thống CCTV
(Closed Circuit Television) hay tổng thể hơn là hệ thống giao thông thông minh ITS (Intelligent
Transport System).
Hơn nữa nhu cầu về dịch vụ thông tin băng rộng của hành khách ngày nay nhƣ truy nhâp
internet, video call, online TV là tất yếu và cũng là yếu tố cạnh tranh giữa các loại hình giao thông.
Điều này đƣợc thể hiện qua một nghiên cứu năm 2004 tại Anh, nghiên cứu này cho thấy rằng 72%
khách hàng sẽ lựa chọn di chuyển bằng tàu cao tốc nếu có thể truy cập đƣợc Internet và 78% trong
số hành khách đó sẽ sử dụng dịch vụ này khi di chuyển[11].
Thông tin vô tuyến đoàn tàu mặt đất phổ biến hiện nay
Ở châu Âu sử dụng hệ thống truyền thông vô tuyến băng rộng toàn cầu đa phƣơng thức
(MOWGLY), sử dụng GSM-R để cung cấp thông tin vô tuyến điều khiển hoạt động chạy tàu và sử
dụng WiFi cho hành khách trên tàu và công nghệ vệ tinh cho thông tin đoàn tàu mặt đất.
Hệ thống đa phƣơng thức này cũng đƣợc sử dụng trong tàu cao tốc nhƣ Thalys và TGV của
Pháp để cung cấp thông tin điều khiển tàu ETCS-2 thông qua hệ thống GSM-R và cung cấp thông
tin Internet băng rộng cho hành khách. Khi đoàn tàu đang di chuyển với tốc độ 300km/giờ, tốc độ
dữ liệu tối đa là 4Mbps trong tuyến xuống và 2Mbps trong tuyến lên [19].
Tại Nhật Bản, một hệ thống vô tuyến dựa trên cáp đồng trục xẻ rãnh LCX (Leaky Caxial Cable)
đƣợc triển khai trên tàu tốc độ cao N700 để truyền thông tin băng thông rộng giữa tàu và mặt đất,
trong khi WiFi cũng đƣợc lựa chọn cho truyền thông tin trong đoàn tàu. Từ năm 2009, N700 có thể
cung cấp các dịch vụ dữ liệu không dây 2Mbps cho hành khách trong cả tuyến xuống và tuyến lên
[20]. Hơn thế nữa, WiMAX đã đƣợc thử nghiệm tại Đài Loan cho băng thông rộng đƣợc truyền đi
trên các đoàn tàu tốc độ cao. Hiện nay, có thể đạt đƣợc tốc độ dữ liệu là 3Mbps và 2Mbps trong
tuyến xuống và tuyến lên tƣơng ứng [23].
Mặc dù công nghệ hiện nay có thể một phần và tạm thời đáp ứng nhu cầu thông tin vô tuyến
cho HSR, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề nhƣ thời gian trễ dài, chi phí cao, hoặc tốc độ dữ liệu
tƣơng đối thấp (2-4Mbps) chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu về tốc độ di chuyển ngày càng cao, tốc độ dữ
liệu cao, thời gian thực và tin cậy hơn. Trƣớc yêu cầu về thông tin băng rộng cho điều khiển giám
sát, cho kinh doanh vận tải cũng nhƣ nhu cầu của hành khách về các dịch vụ thông tin di động băng
rộng thì hệ thống GSM - R trở nên không còn phù hợp. Hơn nữa các nhà sản xuất GSM-R cho biết
hạn sử dụng của hệ thống GSM- R là năm 2025.
Kỹ thuật mới ứng dụng trong thông tin vô tuyến tốc độ cao
Theo nghiên cứu gần đây, tốc độ dữ liệu cần thiết của một tàu tốc độ cao khoảng 37.5Mbps và
trong tƣơng lai xa con số này dự kiến sẽ là 0.5-5Gbps [25]. Do đó, hệ thống thông tin vô tuyến cần
đƣợc nghiên cứu phát triển phù hợp với đƣờng sắt tốc độ cao.
Ngày nay LTE đƣợc triển khai rộng rãi trên thế giới cho đầu cuối di chuyển tốc độ thấp, cung
cấp tốc độ dữ liệu lên đến 300Mbps với băng thông 20MHz. Hơn nữa, hệ thống thông tin di động
thứ 4 đã đƣợc chuẩn hóa, nhƣ IMTAdvanced sẽ đạt đƣợc tốc độ dữ liệu lên đến 1Gbps sử dụng
băng thông của 100MHz. Với sự phát triển của LTE và IMT-A (International Mobile
Telecommunications Advanced), mọi ngƣời sẽ đƣợc cung cấp các dịch vụ băng thông rộng khác

4


nhau đa phƣơng tiện. Và nó cũng đƣợc UIC lựa chọn nhƣ thế hệ tiếp theo cho thông tin đƣờng sắt
[24] bỏ qua thế hệ thông tin di động thứ 3 bởi vì LTE ngoài khả năng cung cấp các dịch vụ băng
rộng nó còn có khả năng đáp ứng các yêu cầu riêng của ngành đƣờng sắt nhƣ:Truyền thông tin của
hệ thống điều khiển, giám sát thời gian thực, khống chế đa phƣơng tiện tàu, thông tin khẩn cấp
đƣờng sắt, kết nối vạn vật IoT.
1.2. Ảnh hƣởng của di chuyển tốc độ cao đến chất lƣợng tín hiệu vô tuyến
Chuyển giao trong môi trƣờng tốc độ cao
Trong hệ thống LTE hỗ trợ cơ chế chuyển giao cứng HHO (Hard Handover) để giảm sự phức
tạp trong kiến trúc mạng, tuy nhiên HHO không đảm bảo việc không có gói tin nào bị mất trong quá
trình chuyển giao. Vì vậy phải có cơ chế hỗ trợ chuyển giao cho LTE khi nó ứng dụng trong môi
trƣờng đƣờng 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 trƣờng đặc biệt
này phải liên tục, nhanh và tối thiểu việc mất gói tin.
Mô hình kênh
Trong tiêu chuẩn LTE của [35], mô hình kênh cho HSR đƣợc trình bày chỉ bao gồm hai kịch
bản là không gian tự do và đƣờng hầm nên mô hình kênh không fading đƣợc sử dụng trong cả hai
kịch bản này. Tuy nhiên, nhƣ đƣợc chỉ ra bởi [36], các yêu cầu nghiêm ngặt (vận tốc cao và đƣờng
ray trải dài…) của HSR dẫn đến nhiều môi trƣờng đặc thù khác nhau, chẳng hạn nhƣ cầu cạn, cầu
cắt ngang, và đƣờng hầm. Do đó việc nghiên cứu một loạt các mô hình kênh cho HSR vẫn đang
đƣợc nghiên cứu.
Tính di động cao
Tàu cao tốc thƣờng chạy ở tốc độ 350 km/h và LTE-R đƣợc thiết kế để hỗ trợ 500 km/h. Tốc độ
cao dẫn đến kênh không tĩnh, đặc tính không tĩnh có tầm quan trọng đặc biệt vì nó ảnh hƣởng đến
BER trong hệ thống đơn sóng mang và đa sóng. Hơn nữa, vận tốc cao gây ra dịch tần Doppler.
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 hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống.Nên việc nghiêu cứu ƣớc
lƣợng và bù tần số Doppler đang là chủ đề đƣợc các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Luận án
của nghiên cứu sinh cũng tập trung vào nghiên cứu vấn đề Doppler này.
1.3. Các nghiên cứu về CFO/ICI trong thông tin vô tuyến HSR
Đối với tín hiệu miền thời gian , - một CFO của gây ra độ dịch pha là
, tỷ lệ thuận với
và chỉ số thời gian n. Lƣu ý rằng nó tƣơng đƣơng 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 đƣợc , - đƣợc tóm
tắt trong bảng 1.4.
Bảng 1.1.Ảnh hưởng của CFO trong tín hiệu nhận được[39]
Tín hiệu máy thu
Tín hiệu miền thời gian

, -

Tín hiệu miền tần số

, -

Ảnh hƣởng của CFO trên tín hiệu máy thu
, ,

-

Mối liên quan giữa CFO và SNR
Theo [40] dịch tần Doppler gây ảnh hƣởng tới SNR thể hiện trong biểu thức sau:
E
10
D freq 
( fT)2 b
3ln10
N0

(1.5)

Trong đó Dfreq (Hz), T(s), Eb và N 0 lần lƣợt là Dịch tần Doppler, chu kỳ symbol của tín hiệu
OFDM, năng lƣợng trên bit và mật độ phổ công suất nhiễu.
Ảnh hƣởng của dịch tần Doppler tƣơng tự nhƣ ảnh hƣởng của nhiễu vì nó gây ra suy giảm tỷ số
tín hiệu trên nhiễu.

5


Các nghiên cứu về CFO/ICI
Có nhiều nghiên cứu về CFO trƣớc đây và những nghiên cứu này có thể đƣợc phân thành hai
nhánh chính: nhánh một là các phƣơng pháp ƣớc lƣợng và bù CFO trong miền thời gian hay còn gọi
là ƣớc lƣợng và bù trƣớc FFT và nhánh thứ hai là các phƣơng pháp tiếp cận trên miền tần số hay
còn gọi là sau FFT. Phƣơng pháp trƣớc FFT yêu cầu tính toán ít hơn vì không cần xử lý FFT nên
việc ƣớc lƣợng và bù CFO nhanh hơn. Cả hai nhánh 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 lƣợng thì
các phƣơng pháp này không còn phù hợp.
Phƣơng pháp chính ƣớc lƣợng CFO trong OFDM với kênh thời gian thay đổi nhanh
Phƣơng pháp tỉ lệ vƣợt mức cải tiến LCR (level crossing rate), ƣớc lƣợng CFO trong miền tần
số [13] nên khối lƣợng tính toán nhiều và phức tạp.Phƣơng pháp khả năng tối đa ML [14]: Cũng
thực hiện trong miền tần số nên khó ứng dụng vào thực tế. Phƣơng pháp hàm tƣơng quan: ƣớc
lƣợng dựa vào các CP, không cần thêm pilot hay symbol qua kênh Rayleigh[15]. Tuy nhiên với
SNR thấp độ chính xác không cao. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng dựa trên việc ƣớc lƣợng kênh [16], đề
xuất này chỉ hiệu quả với tần số Doppler thấp.
Các nghiên cứu đã công bố về CFO trong LTE-R những năm gần đây
Gần đây có một công trình nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới đề xuất việc xử lý ICI trong đƣờng
sắt tốc độ cao nhƣ.
(1). Ƣớc lƣợng và bù tần số Doppler trong LTE-R [57]: phƣơng pháp này ƣớc lƣợng CFO trong
tín hiệu nhận đƣợc sau đó truyền giá trị CFO này về cho EnodeB, EnodeB lấy giá trị CFO vừa nhận
đƣợc bù trƣớc cho tín hiệu truyền đi. Tuy nhiên phƣơng pháp này chƣa khẳng định độ chính xác.
(2).Ƣớc lƣợng tần số Doppler trong HSR sử dụng anten tuyến tính phạm vi lớn. Trong đề xuất
này mô hình kênh lý thuyết đƣợc xây dựng với hệ số kênh, hƣớng sóng đến (DOA) và sự thay đổi
Doppler trong hệ thống thông tin vô tuyến HSR với ăng-ten thu tuyến tính lớn. Uớc lƣợng tần số
Doppler dựa trên DFT để tái tạo lại tín hiệu nhận đƣợc. Một thuật toán xoay pha đã đƣợc đề xuất
cải thiện độ chính xác của việc ƣớc lƣợng này. Phƣơng pháp này độ chính xác cao nhƣng 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]
(3).Tối thiểu hóa tần số Doppler trong HSR sử dụng anten định hƣớng [59]. Phƣơng 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 hƣớng ở trên đầu tàu và đuôi tàu nhƣ trong hình 1-12 hoặc trang bị anten định hƣớng nhƣ trên
hình 1-13. Các ENode B đặt dọc đƣờng ray và đƣợc trang bị anten hai hƣớng nhƣ trên hình 1-14.
Phƣơng án đề xuất này triệt đƣợc phần lớn dịch tần Doppler tuy nhiên khi một trong hai anten
chuyển giao thì tần số Dopper không đƣợc xử lý.
(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 phƣơng 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 [57]. Trong phƣơng pháp này chuỗi huấn
luyện tối ƣu đƣợc sử dụng và phƣơng pháp san bằng kênh thích nghi đề xuất ở bên thu. Phƣơng
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 phƣơng pháp này có độ phức tạp tính
toán vẫn cao và chƣa triển khai trên phần cứng để kiểm nghiệm tính khả thi của đề xuất. Phƣơng
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 lƣợng hệ thống bị suy giảm.
Đƣờng truyền thông tin vô tuyến giữa đoàn tầu và mặt đất là nút thắt trong hệ thống thông tin
vô tuyến trong đƣờng sắt tốc độ cao. Vì vậy để ứng dụng đƣợc LTE trong HSR thì việc nghiên cứu
dịch tần Doppler là một trong những công việc thiết yếu. Trong luận án này nghiên cứu ảnh hƣởng
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 đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng 2 và chƣơng 3.

6


CHƢƠNG 2. ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆU ỨNG DOPPLER VÀ MÔ HÌNH TRIỆT, BÙ
CFO TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN HSR
2.1. Khái quát chung
Việc nghiên cứu đặc tính của dịch tần Doppler trong đƣờng 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 hƣởng đến chất lƣợng hệ thống mà nó còn ảnh
hƣởng đến sự chính xác và tin cậy trong việc mô hình hóa kênh trong thông tin vô tuyến HSR cũng
nhƣ ảnh hƣởng đến điều khiển tàu
2.2. Dịch tần Doppler trong thông tin vô tuyến đƣờng sắt tốc độ cao
Phân tích sự dịch tần Doppler trong HSR
Phần này phân tích đặc tính dịch tần Doppler theo ngữ cảnh thực tế của đƣờng sắt nhƣ : Tàu
luôn di chuyển trên đƣờng ray cố định và hƣớng di chuyển của tàu đã biết trƣớc.Tốc độ của tàu thay
đổi chứ không là hằng số nhƣ giả thiết của các nhà nghiên cứu trƣớc đây.
Trong phần nghiên cứu này nghiên cứu 4 trƣờng hợp điển hình thay đổi vận tốc trong thực tế
đƣờng sắt. Trƣờng hợp 1 là tàu tăng tốc khi rời ga với gia tốc a = 0,5m/s2 cho đến khi đạt vận tốc
100m/s. Trƣờng hợp 2 khi tàu chạy với vận tốc không đổi 100m/s. Trƣờng hợp 3 khi tàu đang chạy
với vận tốc 100m/s thì giảm tốc độ với gia tốc a= -0,6m/s2 khi về tới ga. Trƣờng hợp 4 là 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 trƣờng hợp, khi tàu di chuyển hiệu ứng Doppler sinh ra dịch tần Doppler và giá trị
dịch tần này sẽ thay đổi theo thời gian đƣợc thể hiện bằng biểu thức (2.1). Trong biểu thức này

tần số Doppler (Hz),
là tần số sóng mang (Hz), là vận tốc chạy tàu (km/h), (m/s), c là vận tốc
8
(
) là góc hợp bởi hƣớng di chuyển của tàu và đƣờng nối từ tàu tới BS.
ánh sáng ( 3.10 m/s),
()

( )

()

(2.1)

Mô phỏng và kết quả
Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab với kênh mô phỏng là kênh Rician và các thông số thực
tế của đƣờng sắt cao tốc nhƣ bảng 2.1
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
3.5m
Chiều cao anten Ru
6m
Khoảng cách giữa Ru và đƣờng ray
5m
Vận tốc cao nhất của tàu
v=100 m/s = 360 km/h
Số sóng mang con
N=2048
Phƣơng 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 Sybol
Tần số Doppler lớn nhất
866 Hz
Kênh truyền
Rician với K=8
Kết quả mô phỏng cho 4 trƣờng hợp điển hình thay đổi vận tốc nhƣ sau.
Trƣờng hợp 1 tàu tăng tốc với gia tốc tăng a =0,5m/s2

7


Hình 2-2.Dịch tần Dopper với a =0,5m/s2

Hình 2-3. BER với a =0,5m/s2
Trƣờng hợp 2: Tàu chạy với vận tốc không đổi

Hình 2-4. Dịch tần Doppler với v không đổi

8


Hình 2-5.BER với vận tốc không đổi
Trƣờng hợp 3: Tàu chạy giảm tốc với gia tốc a =- 0,6m/s2

Hình 2-6.Dịch tần Dopper với a =- 0,6m/s2

Hình 2-7.BER với a =- 0,6m/s2

9


Trƣờng hợp 4: Tàu giảm tốc đột ngột với gia tốc a = - 0,9/s2

Hình 2-8. Dịch tần Dopper với a = - 0,9/s2

Hình 2-9. BER với a =- 0,9/s2
Qua 4 trƣờng 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 trƣờng
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 hƣởng của dịch tần Doppler đến chất lƣợng hệ thống tƣơng đối lớn cần phải có giải pháp
giảm, triệt dịch tần này.
Với bốn đồ thị BER của 4 trƣờng 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 với trƣờng hợp giá trị tần số
Doppler cao nhất khi tàu chạy ở tốc độ cao nhất, điều này là phù hợp với lý thuyết.
2.3.Triệt dịch tần Doppler sử dụng 4 anten định hƣớng
Mô hình hệ thống
Hệ thống thông tin vô tuyến trong đƣờng sắt tốc độ cao đƣợc chia thành hai vòng nhƣ đã trình
bày ở mục 1.2 và phạm vi luận án này nghiên cứu đƣờng truyền thông tin từ mặt đất đến điểm truy
nhập trên đoàn tàu đƣợc thể hiện cụ thể trong Hình 2-11 phía dƣới.

10


Hình 2-11.Mô hình hệ thống sử dụng 4 anten định hướng trên tàu
Ở đây, các anten định hƣớng đƣợc sử dụng cho cả trên E-NodeB (hay RU) và trên tàu. Các ENoedB trang bị 2 anten định hƣớng đối diện nhau, mỗi anten sẽ hƣớng về một phía trên đƣờng ray.
Trên tàu đƣợc thiết kế sử dụng 4 anten định hƣớng, anten đầu tàu 1 và anten đầu tàu 2 đặt ở đầu tàu
lần lƣợt sử dụng cho đƣờng truyền phía trƣớc và phía sau, anten đuôi tàu 1 và anten đuôi tàu 2 đƣợc
đặt ở đuôi tàu để sử dụng cho đƣờng truyền phía trƣớc và phía sau.
Hai cặp anten đầu tàu và đuôi tàu kết nối với 2 trạm E-NodeB thông qua 2 đƣờng truyền khác
nhau do vậy việc sử dụng các cặp anten định hƣớng là cần thiết để tránh nhiễu liên đƣờng (cross
link interference). Với phƣơng án bố trí anten trên tàu này ngoài triệt đƣợc tần số Doppler nhƣ thể
hiện ở phần kết quả dƣới đây thì nó còn đảm bảo đƣợc 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 lƣợt chuyển giao tới
E-NodeB kế tiếp thì 2 anten ở cuối tàu vẫn đang trong vùng phủ sóng của E-NodeB hiện tại.
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 hƣởng chính đến độ dịch tần Doppler chính là giá trị của
. Vậy thêm vào thiết bị chuyển mạch để lựa chọn 2 trong 4 anten làm việc dựa vào vị trí của
tàu sao cho anten đầu tàu i và anten đuôi tàu j có
thì
hoặc
Thiết bị chuyển mạch sẽ lựa chọn anten làm việc theo 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 đƣa vào bộ giải điều chế là tín hiệu đã đƣợc bù dịch
tần Doppler.
Lƣu đồ thuật toán
Bƣớc 1: Vị trí của tàu luôn đƣợc xác định nhờ các thiết bị xác định vị trí đoàn tàu đƣợc trang bị
trên tuyến đƣờng nhƣ các bộ phát đáp (transponder), cờ (tags), balise đặt tại đƣờng ray.
Bƣớc 2: Thuật toán lựa chọn và xử lý tín hiệu:
If
then Input=head1 + head2;
Else if

then Input = tail1+tail2;

Else Input= head1+ tail2.
Bƣớc 3: Tín hiệu output đƣợc triệt tiêu dịch tần Doppler và đƣa vào bộ giải điều chế tại tần số
2fc.
Mô phỏng và kết quả
Trong mô hình đề xuất này sử dụng các tham số mô phỏng nhƣ bảng 2.2 dƣới đây.
Bảng 2.2.Thông số mô phỏng mô hình 4 anten
Thông số
Tần số
Chiều cao anten RU
Chiều cao Anten AP trên tàu

Giá trị
2.6 GHz
6.5 m
3m

11


Loại Anten
Anten định hƣớng
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 đƣờng cong Doppler trong các anten đặt trên tàu
và đƣờng cong Doppler còn lại sau khi sử dụng phƣơng pháp triệt đề xuất đƣợc thể hiện ở các Hình
2-16, Hình 2-18

Hình 2-16.Tần số Doppler tại hai anten đầu tàu
Đƣờng cong tần số Dopple của anten đầu tàu 1(Head 1Ant) và anten đầu tàu 2 (Head 2Ant)
đƣợc 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 ngƣợc nhau về dấu và cùng bằng 0 khi cả hai Anten
chuyển giao. Đƣờng cong Doppler trong tín hiệu của Anten đuôi tàu 1(Tail 1 Ant) và Anten đuôi
tàu 2 (Tail 1 Ant) cũng này giống với hai đƣờng cong Doppler trong hai Anten đầu tàu chỉ khác ở
điểm bằng không khi chuyển giao.

.
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
hƣởng lên tín hiệu truyền tới đầu cuối thiết bị sử dụng. Qua đây ta thấy tần số Doppler chỉ còn lại
lớn nhất là 0.3978 Hz chỉ chiểm 5%, còn lại giá trị tần số Doppler bằng 0 ở hầu hết quá trình tàu di
chuyển. Với mô hình này tín hiệu thu đƣợc sau thiết bị chuyển mạch có độ dịch tần Doppler rất nhỏ
(gần nhƣ bằng 0) trên toàn bộ quãng đƣờng di chuyển của tàu. Điều này làm cho luồng dữ liệu giải
điều chế đƣợc mà không mất tính trực giao của tín hiệu OFDM nhƣ thế sẽ không gây ra ICI trong
hệ thống. Tuy nhiên phƣơng pháp này cần sử dụng 4 anten định hƣớng trên tàu cao tốc, để giảm
anten trên tàu phần dƣới đây sẽ đề xuất phƣơng án sử dụng 3 anten và cho kết quả tƣơng tự nhƣ
việc sử dụng 4 anten.
2.4.Triệt dịch tần Doppler sử dụng 3 anten định hƣớng
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 đƣợc thể hiện trong Hình 2- 19 và mô hình kênh tƣơng tự nhƣ đề xuất sử dụng 4 anten
định hƣớng trình bày ở mục 2.3.2 phía trên

12


Hình 2-19. Mô hình hệ thống đề xuất
Hình 2-19 mô tả mô hình đề xuất với 2 anten định hƣớng đƣợc đặt ở mỗi RU hƣớng về hai phía
đối diện để bao phủ dọc đƣờng tàu và 3 anten định hƣớng đƣợc trang bị trên tàu, anten đầu tàu
(Head) đƣợc đặt ở phía trƣớc của tàu nhằm kết nối với RU phía trƣớc, anten giữa tàu(Middle) đƣợc
đặt ở chính giữa tàu, anten đuôi tàu (Tail) đƣợc thiết lập ở đuôi tàu nhằm kết nối với RU phía sau.
Bằng việc sắp xếp các anten nhƣ trên, khi tàu chạy từ trái qua phải trên đƣờng tàu, 2 trong 3 anten
sẽ đƣợc 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.
Mô phỏng và kết quả
Để kiểm chứng tác dụng của mô hình đề xuất nghiên cứu sinh sử dụng phần mềm Matlab với
các thông số mô phỏng nhƣ trong bảng 2.2 của mô hình sử dụng 4 anten định hƣớng và kết quả
đƣợc thể hiện nhƣ trong Hình 2-22 và Hình 2-24

Hình 2-22. Dịch tần Doppler tại anten đầu tàu và đuôi tàu
Hình 2-22 thể hiện đƣờng cong Doppler tại Anten đầu tàu và đuôi tàu, giá trị của hai đƣờng
gần nhƣ bằng nhau chỉ khác nhau ở điểm bằng 0 khi Anten đó lần lƣợt chuyển giao.

Hình 2-24.Dịch tần Doppler tại đầu ra bộ chuyển mạch

13


Trong Hình 2-24, dịch tần Doppler tác động lên toàn bộ các sóng mang trong hệ thống. Tỉ lệ
phần trăm giá trị Doppler thu đƣợc từ 0.25 đến 0.3978 Hz là 5%. Dịch tần Doppler bằng 0 đạt xác
xuất khoảng 95%. Nhƣ vậy đề xuất này đạt hiệu quả triệt tần số Doppler tƣơng tự với phƣơng án sử
dụng 4 anten trình bày phía trên.
2.5. Bù dịch tần Doppler tại thiết bị chuyển tiếp trên tàu
Mô hình hệ thống bù Doppler
Mô hình chúng tôi đề xuất ở Hình 2-26 có thể bù đƣợc dịch tần Doppler.

Hình 2-26.Mô hình hệ thống thực tế
Mô hình hệ thống trong Hình 2-26 cho thấy có thêm vào khối AP bù dịch tần Doppler. Ở bên
phát, dữ liệu từ E-Node-B đƣợc chia thành các dòng bit, điều chế băng cơ sở rồi đƣa qua khối nối
tiếp song song. Tín hiệu ra từ khối IFFT đƣợc chèn thêm CP và đi qua bộ DAC để tạo ra tín hiệu
OFDM. Bởi vì khoảng cách giữa E-Node-B và AP là ngắn, tàu luôn chạy trong vùng ngoại ô nên tín
hiệu truyền đi luôn tồn tại thành phần LoS. Vì vậy, kênh Rician đƣợc áp dụng theo nhƣ kịch bản
D2A WINNER II. Dịch tần Doppler đƣợc xác định và bù ngay tại thiết bị AP hay thiết bị chuyển
tiếp trên tàu. Quá trình này đƣợc mô tả nhƣ sau: Đầu tiên, tín hiệu nhận đƣợc tại AP đi qua bộ lọc
thông dải (BPF1) và bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), sau đó đƣợc phân làm 2 nhánh:
Nhánh 1: tín hiệu thu đƣợc có tần số
đi vào cổng vào của khối trộn tần Mixer 1. Bộ tạo
dao động nội sinh ra tần số sóng mang , nó cũng đƣợc đi vào khối Mixer 1. Với bộ trộn lý tƣởng,
tần số đầu ra bộ trộn sẽ là

. Sau đó tín hiệu đầu ra đó đi qua bộ lọc thông thấp (LPF),
chúng ta có đƣợc tín hiệu có tần số .
Nhánh 2: Tín hiệu với tần số
đi vào bộ trộn Mixer 2. Tại khối này, tín hiệu này đƣợc
trộn với tín hiệu có tần số
ở nhánh 1. Vì vậy, tín hiệu đầu ra thu đƣợc qua bộ Mixer 2 là ,
. Sau khi sử dụng bộ lọc thông dải (BPF2), tín hiệu có tần số đƣợc truyền qua, tín hiệu
bị loại bỏ.
Kết quả mô phỏng
Bảng 2.3.Tham số mô phỏng cho mô hình bù
Thông số
Bán kính cell
Tốc độ tàu
Tổng số kênh con
Phƣơng pháp điều chế
Độ rộng kênh con
Tần số lấy mẫu
Tần số sóng mang
Khoảng bảo vệ
Tần số Doppler
Kênh truyền

Giá trị
1000 m
v=150 mps = 540 kph
N=1024
BPSK
=15 kHz
15.36 MHz
2.6 GHz
¼ chu kỳ Symbol
1300 Hz
AWGN, Rician (K=2, K=8)

14


Khi tốc độ tàu đạt giá trị cực đại là v, dịch tần Doppler là
Vì mô hình mô phỏng tại băng gốc
với khoảng cách giữa các sóng mang con là =15 kHz, CFO có thể đƣợc tính toán theo biểu thức:
(2.58)

Hình 2-28.Tỉ lệ lỗi bit(BER) của hệ thống qua kênh Rician với K=2
Kết quả mô phỏng BER qua kênh Rician với K=2 ta thấy rằng, sau khi có bù Doppler chất
lƣợng hệ thống đƣợc cải thiện rõ rệt tuy chƣa trùng với đƣờng cong lý thuyết do môi trƣờng truyền
là đa đƣờng.

Hình 2-29.Tỉ lệ lỗi bit(BER) của hệ thống khi qua kênh Rician với K=8
Từ kết quả mô phỏng ta thấy với kênh truyền Rician, khi K càng tăng thì đƣờng cong BER sau
khi bù Doppler càng gần với đƣờng cong BER lý thuyết và hiệu năng hệ thống đƣợc cải thiện rõ rệt.
Trong mô hình này đề xuất việc bù dịch tần Doppler bằng cách thêm tần số sóng mang fc tại AP
không cần sử dụng Pilot trong khung dữ liệu. So sánh với tín hiệu không Doppler, BER của tín hiệu
mô phỏng đã đƣợc cải thiện. Nhƣ vậy phƣơng pháp chúng tôi đề xuất đã bù đƣợc dịch tần Doppler
tại anten thu bên ngoài tàu cho chất lƣợng tín hiệu tốt hơn đáng kể.
Ở chƣơng này đề xuất các mô hình triệt, bù Doppler bằng thay đổi phần cứng cũng nhƣ bố trí
các anten định hƣớng trên tàu còn sang chƣơng 3 nghiên cứu sinh đề xuất thuật toán ƣớc lƣợng và
bù CFO bằng xử lý tín hiệu để triệt nhiễu ICI trong thông tin vô tuyến HSR.

15


CHƢƠNG 3. THUẬT TOÁN TRIỆT NHIỄU ICI TRONG THÔNG TIN VÔ
TUYẾN ĐƢỜNG SẮT TỐC ĐỘ CAO
3.1. Khái quát chung
Chƣơng 2 đã đề xuất mô hình triệt Doppler trong HSR bằng cách bố trí anten hợp lý và thêm
vào khối lựa lựa chọn anten làm việc theo vị trí chạy tàu. Chƣơng 2 cũng đề xuất mô hình bù dịch
tần Doppler bằng việc thay đổi cấu trúc thiết bị chuyển tiếp đặt trên tàu thêm vào một khối AP.
Trong chƣơng này đề xuất phƣơng pháp ƣớc lƣợng và bù CFO sử dụng CP (Cyclic- Prefix) và
phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO kép nhằm giảm ICI bằng việc sử dụng thuật toán ƣớc lƣợng và bù
dịch tần Doppler cho hệ thống HSR. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO kép này dựa vào phần mào đầu
khung của dữ liệu trong thông tin giữa EnodeB và ngƣời sử dụng. Kết quả mô phỏng chỉ ra hiệu
suất của hệ thống đã đƣợc cải thiện bằng việc sử dụng các mô hình đề xuất này.
3.2.Uớc lƣợng và bù CFO sử dụng CP trong HSR
Mô hình đề xuất
CFO có thể tìm đƣợc từ góc pha:
̅
* , - ,
-+ với n -1,-2,…- .
(3.4 )
Để giảm tác động của CFO, chúng ta có thể thực hiện trung bình cộng các mẫu trong khoảng độ
dài CP nhƣ sau:
, - ,
-}
̂
{∑
(3.5)
Phạm vi của ƣớc lƣợng CFO trong biểu thức (3.5) là:[ , )/2 = [-0.5, 0.5] vì vậy | <0.5,
bởi vì hàm arg( ) đƣợc tiến hành bằng việc sử dụng hàm tan-1 ( ). Vì thế, kỹ thuật này là hữu ích
cho việc ƣớc lƣợng phần phân số CFO. Kỹ thuật CP đƣợc mô tả nhƣ Hình 3-2.

Hình 3-2. Mô hình đề xuất dựa trên kịch bản thực tế
Đầu tiên, tín hiệu nhận đƣợc tại bên thu sẽ đi qua khối RF (lọc, khuếch đại tạp âm thấp, hạ
tần…) và khối ADC. Tín hiệu sau đó đƣợc chia thành 2 nhánh. Nhánh thứ 1 tín hiệu đi vào khối
ƣớc lƣợng và nội suy CFO. Trong khối này, CFO đƣợc ƣớc lƣợng theo nhƣ biểu thức (3.5).
Nhánh thứ 2 khối bù CFO gồm 2 đầu vào: một là đầu ra của khối ADC, một là đầu ra của khối
ƣớc lƣợng và nội suy CFO. Tại khối bù CFO, tín hiệu sẽ đƣợc bù với giá trị CFO thu đƣợc từ khối
ƣớc lƣợng và nội suy CFO nhƣ biểu thức (3.6).
, , (3.6)
Sau khối này, tín hiệu thu đƣợc đã đƣợc bù CFO. Kết quả mô phỏng đƣợc minh họa bên dƣới.
Kết quả mô phỏng
Để đánh giá quá trình ƣớc lƣợng và bù CFO với tốc độ thay đổi sử dụng thuật toán CP, các
thông số trong Bảng 3.1 và mô hình kênh Rician đƣợc áp dụng để mô phỏng thông qua phần
mềm Matlab

16


Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật mô phỏng
Thông số
Bán kính cell
Độ cao anten trên tàu
Độ cao anten RU
Khoảng cách giữa đƣờng và RU
Tốc độ tàu
Tổng số kênh con
Phƣơng pháp điều chế
Độ rộng kênh con
Tần số sóng mang
Khoảng bảo vệ
Kênh truyền

Giá trị
1000 m
3.5m
6m
5m
v=150 m/s = 540 km/h
N=128
PSK
=15 kHz
2.6 GHz
¼ chu kỳ Symbol
AWGN, kênh Rician
với (K=8, K=20)
Qúa trình chạy tàu trải qua 4 trƣờng hợp thay đổi vận tốc điển hình nhƣ đã trình bày ở chƣơng 2
nhƣ sau: Tăng tốc, không đổi, giảm tốc về ga, giảm tốc đột ngột.
Trƣờng hợp 1: Tàu tăng tốc khi rời ga với gia tốc a= 0,5m/s2 kết quả thể hiện ở Hình 3-3 và
.

:
Hình 3-3. Đường cong ước lượng CFO với gia tốc a = 0,5m/s2 qua kênh Rician
Hình 3-3 cho thấy giá trị CFO ƣớc lƣợng đƣợc trong trƣờng hợp vận tốc tăng với a = 0.5m/ s2
bằng việc sử dụng thuật toán CP qua kênh Rician đạt kết quả hội tụ với CFO thực tế.

Hình 3-4. BER của OFDM sử dụng BPSK qua kênh Rician với K=8 và K=20
Hình 3-4 thể hiện đƣờng cong BER của hệ thống khi tàu chạy tăng tốc với gia tốc a = 0,5m/ s2
trong các trƣờng hợp: Lý thuyết kênh Rician với K=8, tác động của CFO với K=8, bù CFO với
K=8, lý thuyết kênh rician với K=20, CFO với K=20 và bù CFO với K=20. Hình này cho thấy rằng
sau khi bù CFO thì BER của hệ thống gần bằng với BER lý thuyết.

17


Trƣờng hợp 2:

Hình 3-5. Đường cong CFO với vân tốc không đổi qua kênh Rician
Hình 3-5 cho thấy giá trị CFO ƣớc lƣợng đƣợc trong trƣờng hợp vận tốc không đổi bằng việc sử
dụng thuật toán CP qua kênh Rican đạt kết quả tốt

Hình 3-6. BER với vân tốc không đổi qua kênh Rician với K=8 & K=20
Hình 3-6 thể hiện đƣờng cong BER của hệ thống trong các trƣờng hợp: Lý thuyết kênh Rician
với k=8, tác động của CFO với k=8, bù CFO với k=8, lý thuyết kênh rician với k=20, CFO với
K=20 và bù CFO với k=20. Khi chƣa bù thì dịch tần Doppler ảnh hƣởng lớn đến hiệu năng của hệ
thống thể hiện đƣờng cong BER chƣa bù cách xa đƣờng BER lý thuyết. Khi có bù thì đƣờng cong
BER sau khi bù về sát với đƣờng cong BER lý thuyết.
Trƣờng hợp 3:

Hình 3-7. Đường cong ước lượng CFO với a = -0.6m/ s2 qua kênh Rician

18


Hình 3-8. BER với a = -0.6m/ s2 qua kênh Rician với K=8 & K=20
Hình 3-7, 3-8 thể hiện kết quả ƣớc lƣợng CFO trong trƣờng hợp tàu giảm tốc với gia tốc a = 0,6m/ s2 và BER của hệ thống sau khi bù với kênh Rican khi k=8 và K=20. Kết quả trên hình cho
thấy trƣờng hợp tàu chạy giảm tốc có kết quả tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp tàu chạy với vận tốc tăng với
gia tốc a= 0,5m/ s2 bởi vì hiệu ứng Doppler tác động lên hệ thống là gần giống nhau chỉ là quá
trình ngƣợc lại của nhau.
Trƣờng hợp 4:

Hình 3-9. Đường cong ước lượng CFO với a = -0.9m/ s2 qua kênh Rician

Hình 3-10. BER với a = -0.9m/ s2 qua kênh Rician
Hình 3-9 và Hình 3-10 thể hiện kết quả ƣớc lƣợng CFO trong trƣờng hợp tàu giảm tốc với gia
tốc a = -0,9m/ s2 và BER của hệ thống sau khi bù với kênh Rican khi k=8 và K=20. Kết quả trên
hình cũng cho thấy trƣờng hợp tàu chạy giảm tốc với a = -0,9m/ s2 có kết quả tƣơng tự nhƣ 3
trƣờng hợp trên và với kênh Rician dù K khác nhau nhƣng với mô hình bù này thì đƣờng cong
BER sau khi bù đều gần trùng kít với đƣờng cong BER lý thuyết.

19


Nhìn chung, đƣờng CFO ƣớc lƣợng hầu nhƣ giống với thực tế đã đƣợc mô tả và nó thay đổi tùy
thuộc vào tốc độ của tàu và kết quả ƣớc lƣợng là nhƣ nhau trong cả 4 trƣờng hợp thay đổi vận tốc
điển hình của tàu trong HSR.
Đƣờng BER trong trƣờng hợp tốc độ không đổi là lớn nhất với CFO và là xấu nhất trong 4
trƣờng hợp vì giá trị của CFO là rất lớn. Trong 3 trƣờng hợp còn lại, BER gần nhƣ nhau vì tác động
của dịch tần Doppler lên hệ thống là khá giống nhau. Tuy nhiên, sau khi bù CFO bằng thuật toán
CP qua kênh Rician, đƣờng cong BER của cả 4 trƣờng hợp là giống với trƣờng hợp lý tƣởng khi
không có CFO. Vì vậy, chúng tôi có thể khẳng định rằng, tác động của dịch tần Doppler đã đƣợc
bù. Kết quả này khẳng định đƣờng cong CFO thay đổi phụ thuộc vào tốc độ của tàu và tất cả các giá
trị CFO nằm trong khoảng [-0.5, 0.5]. CFO có thể đƣợc ƣớc lƣợng và bù bằng phƣơng pháp CP
trong thời gian ngắn.
Trong đề xuất này, dựa vào phân tích, kết quả mô phỏng đƣờng cong CFO trong 4 trƣờng hợp
thay đổi vận tốc điển hình và lựa chọn thuật toán CP để ƣớc lƣợng và bù CFO. Kết quả ƣớc lƣợng
CFO và đƣờng cong BER của 4 trƣờng hợp cho ta thấy việc sử dụng kỹ thuật CP là đáp ứng yêu
cầu của thông tin vô tuyến trong hệ thống HSR, hệ thống này yêu cầu ƣớc lƣợng và bù CFO chính
xác trong thời gian ngắn. Tuy nhiên đề xuất này cũng có hạn chế là không ƣớc lƣợng đƣợc CFO
một cách ngẫu nhiên trong mọi trƣờng hợp thay đổi vận tốc. Vì vậy phần tiếp theo sẽ trình bày đề
xuất ƣớc lƣợng kép CFO phù hợp với mọi chế độ vận tốc của tàu.
3.3. Thuật toán ƣớc lƣợng CFO kép trong HSR
Trong phần này, vấn đề ƣớc lƣợng CFO kép đƣợc nghiên cứu. Trong đó một anten chính đƣợc
sử dụng thay vì nhiều anten nhƣ trong [58-63] và không sử dụng chuỗi cho trƣớc nhƣ trong [62,63].
Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng phƣơng pháp đề xuất này tốt hơn là phƣơng pháp ƣớc lƣợng thông
thƣờng trong [64] khi SNR cao.
Mô hình hệ thống đề xuất

E Node B2

E Node B1

dB
ds

Trạm di động

d

Hình 3-11. Mô hình thông tin trong HSR
Trong hệ thống này: d1 và d2 là khoảng cách tƣơng ứng từ E-Node-B1và E-Node-B2 tới vị trí
MS [m];
là khoảng cách từ E-NodeB tới đƣờng tàu [m];
là vùng phủ sóng của E-NodeB [m];
∆d là khoảng cách chồng lên nhau của 2 vùng phủ sóng [m].
Đƣờng truyền từ E-Node-B tới các MS và ngƣợc lại đƣợc nghiên cứu trong luận án này. Mỗi
E-Node-B có thể đƣợc thiết kế với một hoặc nhiều anten. Giả thiết rằng mỗi E-Node-B có 1 anten
và MS cũng có 1 anten. Tất cả các anten không có sự tƣơng quan với nhau. Dịch tần Doppler là
mục tiêu nghiên cứu chính, vì vậy giả thiết rằng hệ thống đã đƣợc đồng bộ về mặt thời gian và tần
số.
Giả thiết hệ thống thời gian-tần số từ 2 E-Node-B cạnh nhau nhƣ [65]. Tín hiệu mong muốn từ
2 E-Node-B tới MS hầu nhƣ ngay lập tức. Hai dòng tín hiệu không thể đƣợc tách ra dễ dàng bởi vì
chúng chiếm cùng khe thời gian-tần số trong đƣờng liên kết thông tin OFDM. Do đó việc ƣớc lƣợng
dịch tần Doppler hay CFO một cách chính xác tại phía thu vẫn là vấn đề lớn. Giải pháp đề xuất
đƣợc mô tả ở hình 3-12, MS ƣớc lƣợng Doppler dựa trên dữ liệu nhận đƣợc và gửi giá trị ƣớc lƣợng

20


đó trở lại E-Node-B. Khi dữ liệu mới đƣợc gửi đi, tín hiệu sẽ đƣợc chèn thêm giá trị CFO thu đƣợc
trƣớc đó để bù trƣớc. Cần lƣu ý rằng, việc dự đoán dựa theo đƣờng cong dịch tần Doppler cũng có
thể làm tăng hơn hiệu quả của việc bù trƣớc.
Mô hình bù CFO đề xuất
E- Node B

MS

E- Node B

Truyền dữ liệu

Ước lượng
CFO

Truyền dữ liệu

CFO hồi tiếp
Truyền dữ liệu
đã bù CFO

Nhận dữ liệu
đã bù CFO

Truyền dữ liệu
đã bù CFO

Hình 3-12. Mô hình bù trước CFO
Nhƣ thể hiện ở Hình 3-11 và Hình 3-12, chúng ta có thể thấy rằng tín hiệu nhận đã đƣợc trộn của
2 tín hiệu từ 2 E-Node-B riêng rẽ. Khi MS di chuyển ra xa từ E-Node-B1 tới E-Node-B2, dịch tần
Doppler của 2 tín hiệu là khác nhau rõ ràng. Trong phần này, thông qua mô hình toán học của kênh
truyền và phƣơng án truyền tín hiệu, tìm ra 2 dịch tần dựa trên phần mào đầu khung dữ liệu trong
đƣờng truyền tín hiệu giữa các E-Node-B và MS.
Thuật toán đƣợc đề xuất đƣợc tóm tắt nhƣ sau:
- Xây dựng ̇ phía thu dựa trên phần đầu của dữ liệu s
) nhƣ ở (3.23) và (3.24) sử dụng đầu ra y đã biết của bên thu và hàm
- Tạo hàm cost (
̇ đã đƣợc xây dựng.
):
- Ƣớc lƣợng CFO từ các giá trị nhỏ nhất của (
(
)
(̂ ̂ ) (
) (
)
- Bù kết quả ( ̂ ̂ ) vào trong dữ liệu gửi từ một vài lần tiếp theo truyền tín hiệu
- Ƣớc lƣợng lại dữ liệu phần đầu sau khi truyền dữ liệu mà không có phần đầu.
Kết quả mô phỏng
Sử dụng các thông số trong Bảng 3.2 để thiết lập bài toán thông tin HSR. Trong mô phỏng,
chúng ta chú ý đến 2 đƣờng truyền giữa E-NodeB và MS. Ta giả sử rằng hệ thống đã đạt đƣợc đồng
bộ về mặt thời gian tại bên thu.
Bảng 3.2.Thông số mô phỏng cho ước lượng CFO kép
Các thông số
Bán kính Cell (ds)
Vùng phủ chồng chéo (Δd)
Khoảng cách ban đầu giữa tàu và E-NODE-B1 (d1)
Khoảng cách ban đầu giữa tàu và E-NODE-B2 (d2)
Khoảng cách giữa đƣờng tàu và E-NODE-Bs ( )
Tốc độ tàu (v)
Tổng số kênh con
Phƣơng pháp điều chế
Độ rộng kênh con (Δf)
Băng thông (BW)
Tần số lấy mẫu (fs)
Tần số sóng mang

Giá trị
500 m
400 m
100 m
400 m
50 m
360 km/h
128
BPSK
120 kHz
10 MHz
15.36 MHz
2.6 GHz

21


Hình 3-17 và Hình 3-18 chỉ ra rằng CFO khi MS chuyển động ra xa E-Node-B1 và
chuyển gần tới E-Node-B2. Tƣơng tự nhƣ ƣớc lƣợng đơn CFO, thuật toán đề xuất là không
chính xác tại
có giá trị thấp. Tuy nhiên, nó sẽ đạt đƣợc độ chính xác cao tại
có giá
trị cao, bởi vì các hàm cost (3.23) và (3.24) sẽ dẫn tới nhiều điểm đỉnh đáng kể. Mặt khác, các
đỉnh không cần thiết phải gần với các giá trị của CFO. Vì vậy, hiệu suất hệ thống bị suy

giảm. Tuy nhiên nó đạt đƣợc độ chính xác cao tại

có giá trị cao.

Hình 3-17. Giá trị CFO được ước lượng và thực tế tại E-Node-B1

Hình 3-18. Giá trị CFO được ước lượng và thực tế tại E-Node-B2

Hình 3-19. MSE của thuật toán đề xuất và phương pháp thông thường

22


Sai số bình phƣơng trung bình (MSE) của phƣơng pháp đề xuất đƣợc thể hiện ở Hình 319. Trong quá trình mô phỏng, chúng ta so sánh phƣơng án đề xuất này với các giải pháp
thông thƣờng nhƣ đã nghiên cứu ở [60]. Hình 3-19 cho ta thấy rõ ràng rằng tại
>16dB, thuật toán này cho thấy sự vƣợt trội hơn.

Hình 3-20. BER có CFO, không bù CFO và bù CFO
Hình 3-20 là BER của hệ thống với các trƣờng hợp không có CFO, có CFO và bù CFO. Khi
lớn, kết quả của thuật toán gần với giá trị thực tế của CFO. Do đó, hiệu suất gần hơn với
trƣờng hợp lý tƣởng.
Sự ảnh hƣởng do ICI là nghiêm trọng trong trƣờng hợp chu kỳ symbol tăng. Đặc biệt là với hệ
thống tàu tốc độ cao, tốc độ tàu có thể lên đến 570 km/h hoặc có thể lớn hơn. Doppler sẽ gây ra
CFO, và làm giảm hiệu suất của hệ thống truyền. Trong chƣơng này đề xuất hai giải pháp ƣớc
lƣợng và bù CFO. Giải pháp ƣớc lƣợng và bù CFO dựa trên ngữ cảnh thay đổi vận tốc điển hình
của đƣờng sắt cao tốc và thuật toán ƣớc lƣợng và bù CP. Kết quả mô phỏng cho thấy giải pháp này
đạt đƣợc yêu cầu của thông tin vô tuyến đƣờng sắt tốc độ cao về độ chính xác và thời gian, nhƣng
vẫn tồn tại nhƣợc điểm là không ƣớc lƣợng và bù CFO tại mỗi thời điểm ngẫu nhiên của vận tốc.
Giải pháp thứ hai nghiên cứu phƣơng án giảm ICI bằng phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO kép cho
hệ thống HSR. Phƣơng án đề xuất này dựa trên phần mào đầu của khung dữ liệu và tín hiệu thu
đƣợc không sử dụng nhiều anten. MS ƣớc lƣợng tần số Doppler dựa trên tín hiệu nhận đƣợc rồi gửi
lại giá trị đó cho E-Node-B. Khi dữ liệu mới đƣợc gửi, CFO đƣợc đƣa vào trong dữ liệu. Hệ thống
đƣợc mô phỏng dựa trên thuật toán ƣớc lƣợng CFO đề xuất. Sai số bình phƣơng trung bình của việc
ƣớc lƣợng đƣợc so sánh với các giải pháp thông thƣờng thông qua hiệu suất. Nhƣ đã thể hiện trong
kết quả mô phỏng, phƣơng án này tốt hơn khi
tăng. BER của hệ thống sử dụng phƣơng pháp
bù đề xuất cũng đƣợc nêu ra. CFO đƣợc loại đi một cách hiệu quả khi
lớn. Hiệu suất của hệ
thống gần với trƣờng hợp lý tƣởng khi không có CFO nếu sử dụng thuật toán này. Với giải pháp
hiệu quả này, dịch vụ dữ liệu tốc độ lớn có thể đƣợc cung cấp với độ tin cậy cao. Đây có thể đƣợc
xem xét nhƣ một giải pháp đầy hứa hẹn cho vấn đề cơ sở hạ tầng giao thông và đƣờng sắt cao tốc.

23


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×