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

Trong các hệ thống đường sắt hiện đại này, sử dụng các công nghệ điều khiển tàu tiên tiến như điều khiển tàu tự động ATC Automatic Train Control, điều khiển tàu dựa trên thông tin CBTC C

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1 Đường sắt tốc độ cao và thông tin vô tuyến cho đường sắt tốc độ cao

Tàu tốc độ cao đang phát triển nhanh trên toàn thế giới đặc biệt ở một số nước châu Âu như Pháp, Đức, Ý; châu Á như Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan [1]…tại các nước này,

họ đã phát triển đường sắt cao tốc Quốc gia Ngay ở Trung Quốc tính đến tháng 12 năm 2016 đã có khoảng 22.000 km đường sắt cao tốc và dự kiến đến năm 2020 sẽ tăng thêm 10.000km[2,3] Trong khi đó ở nước ta, dự án đường sắt tốc độ cao Hà Nội - TP Hồ Chí Minh đang được Chính phủ chỉ đạo nghiên cứu và xây dựng

Ngày nay, trong việc xây dựng thành phố thông minh, các phương tiện giao thông thông minh cần được kết nối tới các mạng truyền thông tin để truyền tải các thông tin thời gian thực cũng như tín hiệu điều khiển và quản lý tự động các phương 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 đường 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 đường sắt hiện đại này, sử dụng các công nghệ điều khiển tàu tiên tiến như 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, như về băng thông, hiệu suất băng thông, chất lượng, tốc độ…Trong khi đó hệ thống thông tin vô tuyến đa phương 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 đường sắt tốc độ cao sử dụng hệ thống thông tin di động toàn cầu dành riêng cho đường 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 như 3G, WiFi, WiMax kể cả hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G) phù hợp với môi trường có tốc độ di chuyển không cao của thiết bị đầu cuối người dùng Đối với người sử dụng

di chuyển với tốc độ cao như hành khách trên HSR thì hệ thống thông tin di động hiện tại chưa thể cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, chất lượng tốt như với người dùng di chuyển tốc độ thấp LTE (Long Term Evolution) đã được UIC liên minh đường 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 được nghiên cứu, phát triển để cung cấp đường 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 được điều này có rất nhiều vấn đề cần được 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 thường 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 đường sắt tốc độ cao, sau đó đề xuất mô hình triệt, bù CFO và đề xuất thuật toán ước lượng dịch tần Doppler để tối thiểu nhiễu liên sóng mang ICI trong hệ thống thông tin vô tuyến đường sắt tốc độ cao

Xu hướng phát triển đường sắt tốc độ cao là rõ ràng thể hiện qua số lượng đường sắt tốc độ cao được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới, ở Việt Nam ta Chính phủ đã đồng ý chủ trương xây dựng tuyến đường sắt tốc độ cao Hà Nội – Hồ Chí Minh Trong khi đó chưa có hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng dành riêng cho điều khiển tàu cũng như 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 đường sắt tốc độ cao hiện tại, xu hướng phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến trong tương lai, dựa vào đó nghiên cứu và

đề xuất phương án, thuật toán giải quyết vấn đề hiệu ứng Doppler trong môi trường di chuyển tốc

2

độ cao của đường sắt Đây là một trong những vấn đề then chốt khi ứng dụng hệ thống thông tin băng rộng như LTE vào trong đường sắt tốc độ cao

2 Những vấn đề còn tồn tại về hệ thống vô tuyến cho đường sắt tốc độ cao

Hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay trong các tuyến đường 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 như 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 đường 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 đường sắt tốc độ cao

Các nhà nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu ứng dụng LTE cho đường sắt tốc độ cao Hệ thống thông tin này đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới cho các đầu cuối di chuyển tốc độ thấp Tuy nhiên khi ứng dụng vào môi trường tốc độ cao của HSR thì cần phải giải quyết các vấn đề phát sinh như chuyển giao xảy ra thường xuyên, ước lượng kênh trong môi trường 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 như [57-60], mỗi công trình đều có những đóng góp riêng và nhược điểm riêng Vì vậy trong nghiên cứu của mình nghiên cứu sinh có kế thừa những ưu điểm của phương pháp trước và nghiên cứu đề xuất các mô hình, thuật toán triệt bù dịch tần Doppler được thể hiện trong chương 2 và chương 3

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án

- Đường 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

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương 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 trường đường 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 thưc tiễn của đề tài

Đề tài nghiên cứu về vấn đề dịch tần Doppler trong thông tin vô tuyến đường sắt tốc độ cao và nhiễu ICI do hiệu ứng Doppler gây ra trong đường 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 hướng 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 đường sắt tốc độ cao Chính phủ Việt Nam đang chỉ đạo nghiên cứu xây dựng tuyến đường sắt tốc độ cao đầu tiên Hà Nội- Thành phố Hồ Chí Minh nên đây là một hướng 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 được tổ chức thành 3 chương như sau:

3

Chương 1.Tổng quan về thông tin vô tuyến đường sắt tốc độ cao Trong chương này trình bày

về tổng quan đường sắt tốc độ cao nhằm cung cấp thông tin về tình hình phát triển đường sắt tốc độ cao trên toàn thế giới cũng như tại Việt Nam Đồng thời trình bày về các hệ thống thông tin vô tuyến hiện tại trong một số tuyến đường sắt tốc độ cao tiêu biểu trên thế giới Sau đó là đề cập đến

xu hướng phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến cho đường sắt tốc độ cao trong tương lai Cuối cùng là trình bày về sự ảnh hưởng của môi trường tốc độ cao lên hệ thống thông tin vô tuyến

Chương 2 Các giải pháp triệt dịch tần Doppler trong hệ thống vô tuyến đường sắt tốc độ cao Trong chương này nghiên cứu về ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler tác động lên OFDM trong môi trường đường sắt tốc độ cao Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab để mô phỏng đường 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 đường sắt tốc độ cao

Chương 3 Thuật toán triệt nhiễu liên sóng mang trong hệ thống thông tin vô tuyến đường sắt tốc độ cao Trong chương này tập trung nghiên cứu, đề xuất thuật toán triệt ICI trong đường 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 đường 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 được trong quá trình làm nghiên cứu sinh và trình bày về hướng phát triển của luận án trong tương lai

6 Các đóng góp của luận án

Những kết quả và đóng góp chính của luận án như sau:

1 Xây dựng, phân tích đường cong Doppler trong môi trường của đường sắt tốc độ cao trong

4 trường hợp thay đổi vận tốc điển hình của đường sắt Dựa trên đường cong Doppler trong

4 trường hợp thay đổi vận tốc điển hình của đường sắt, luận án đã xây dựng, mô phỏng, đánh giá hiệu năng hệ thống thông qua tỷ số lỗi bit BER trước và sau khi bù dịch tần Doppler

2 Đề xuất giải pháp triệt dịch tần Doppler trong hệ thống vô tuyến đường sắt tốc độ cao dựa trên việc sử dụng các anten định hướng 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 đường sắt tốc độ cao với công nghệ OFDM bằng việc ước lượng kép CFO sau đó bù trước CFO

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN TRONG ĐƯỜNG SẮT

TỐC ĐỘ CAO

1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến trên một số tuyến đường sắt tốc độ cao

Ngày này đường 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 nhưng vẫn an toàn và hiệu quả như điều khiển từ xa và không người lái, trong đó hệ thống thông tin vô tuyến đóng vai trò quan trọng như là dây thần kinh Các công nghệ điều khiển hiện đại như công nghệ điều khiển tự động ATC, công nghệ điều khiển tàu dựa trên thông tin CBTC với các chức năng như giám sát đường 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 như 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 như 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 được 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 được 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 phương 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 phương thức này cũng được sử dụng trong tàu cao tốc như 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) được triển khai trên tàu tốc độ cao N700 để truyền thông tin băng thông rộng giữa tàu và mặt đất, trong khi WiFi cũng được 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 được thử nghiệm tại Đài Loan cho băng thông rộng được truyền đi trên các đoàn tàu tốc độ cao Hiện nay, có thể đạt được tốc độ dữ liệu là 3Mbps và 2Mbps trong tuyến xuống và tuyến lên tương 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 như thời gian trễ dài, chi phí cao, hoặc tốc độ dữ liệu tương đối thấp (2-4Mbps) chưa đáp ứng được yêu cầu về tốc độ di chuyển ngày càng cao, tốc độ dữ liệu cao, thời gian thực và tin cậy hơn Trước yêu cầu về thông tin băng rộng cho điều khiển giám sát, cho kinh doanh vận tải cũng như 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 tương lai xa con số này dự kiến sẽ là 0.5-5Gbps [25] Do đó, hệ thống thông tin vô tuyến cần được nghiên cứu phát triển phù hợp với đường sắt tốc độ cao

Ngày nay LTE được 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 được chuẩn hóa, như IMTAdvanced sẽ đạt được 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 người sẽ được cung cấp các dịch vụ băng thông rộng khác

5

nhau đa phương tiện Và nó cũng được UIC lựa chọn như thế hệ tiếp theo cho thông tin đường 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 đường sắt như:Truyền thông tin của

hệ thống điều khiển, giám sát thời gian thực, khống chế đa phương tiện tàu, thông tin khẩn cấp đường sắt, kết nối vạn vật IoT

1.2 Ảnh hưởng của di chuyển tốc độ cao đến chất lượng tín hiệu vô tuyến

Chuyển giao trong môi trường 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 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

Mô hình kênh

Trong tiêu chuẩn LTE của [35], 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 [36], 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 Do đó việc nghiên cứu một loạt các mô hình kênh cho HSR vẫn đang được nghiên cứu

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 kênh không tĩnh, 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 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 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 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 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 1.1.Ảnh hưởng của CFO trong tín hiệu nhận được[39]

Tín hiệu máy thu Ảnh hưởng của CFO trên tín hiệu máy thu

Mối liên quan giữa CFO và SNR

Theo [40] dịch tần Doppler gây ảnh hưởng tới SNR thể hiện trong biểu thức sau:

2 0

10( fT)3ln10

b freq

E D

6

Các nghiên cứu về CFO/ICI

Có nhiều nghiên cứu về CFO trước đây và những nghiên cứu 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 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 lượng thì các phương pháp này không còn phù hợp

Phương pháp chính ước lượng CFO trong OFDM với kênh thời gian thay đổi nhanh

Phương pháp tỉ lệ vượt mức cải tiến LCR (level crossing rate), ước lượng CFO trong miền tần

số [13] nên khối lượng tính toán nhiều và phức tạp.Phương pháp khả năng tối đa ML [14]: Cũng thực hiện trong miền tần số nên khó ứng dụng vào thực tế Phương pháp hàm tương quan: ước lượng dựa vào các CP, không cần thêm pilot hay symbol qua kênh Rayleigh[15] Tuy nhiên với SNR thấp độ chính xác không cao Phương pháp ước lượng dựa trên việc ước lượng 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 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 EnodeB, EnodeB lấy giá trị CFO vừa nhận được bù trước cho tín hiệu truyền đi Tuy nhiên phương pháp này chưa khẳng định độ chính xác (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 Uớc lượng tần số Doppler 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]

(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 ENode B 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

(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 [57] 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

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 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

7

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG 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 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

2.2 Dịch tần Doppler trong thông tin vô tuyến đường 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 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 là hằng số như giả thiết của các nhà nghiên cứu trước đây

Trong phần nghiên cứu này nghiên cứu 4 trường hợp điển hình thay đổi vận tốc trong thực tế đường sắt Trường hợp 1 là tàu tăng tốc khi rời ga với gia tốc a = 0,5m/s2

cho đến khi đạt vận tốc 100m/s Trường hợp 2 khi tàu chạy với vận tốc không đổi 100m/s Trường 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 Trường 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 trường 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 được thể hiện bằng biểu thức (2.1) Trong biểu thức này là tần số Doppler (Hz), là tần số sóng mang (Hz), là vận tốc chạy tàu (km/h), (m/s), c là vận tốc

ánh sáng ( 3.108 m/s), ( ) là góc hợp bởi hướng di chuyển của tàu và đường nối từ tàu tới BS

Khoảng cách giữa Ru và đường ray 5m

Vận tốc cao nhất của tàu v=100 m/s = 360 km/h

Kết quả mô phỏng cho 4 trường hợp điển hình thay đổi vận tốc như sau

Trường hợp 1 tàu tăng tốc với gia tốc tăng a =0,5m/s2

8

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

Hình 2-3 BER với a =0,5m/s 2

Trường hợp 2: Tàu chạy với vận tốc không đổi

Hình 2-4 Dịch tần Doppler với v không đổi

9

Hình 2-5.BER với vận tốc không đổi

Trường hợp 3: Tàu chạy giảm tốc với gia tốc a =- 0,6m/s2

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

Hình 2-7.BER với a =- 0,6m/s 2

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 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

2.3.Triệt dịch tần Doppler sử dụng 4 anten định hướng

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 2-11 phía dưới

11

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 NodeB (hay RU) và trên tàu Các NoedB trang bị 2 anten định hướng đối diện nhau, mỗi anten sẽ hướng về một phía trên đường ray Trên tàu được thiết kế sử dụng 4 anten định hướng, 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

E-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 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

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 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 đưa vào bộ giải điều chế là tín hiệu đã được bù dịch tần Doppler

Lưu đồ thuật toán

Bước 1: Vị trí của tàu luôn được xác định nhờ các thiết bị xác định vị trí đoàn tàu được trang bị trên tuyến đường như các bộ phát đáp (transponder), cờ (tags), balise đặt tại đường ray

Bước 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

Bước 3: Tín hiệu output được triệt tiêu dịch tần Doppler và đưa 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 như bảng 2.2 dưới đây

Bảng 2.2.Thông số mô phỏng mô hình 4 anten

Thông số Giá trị

Chiều cao Anten AP trên tàu 3 m