Xây dựng phương pháp cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống thông tin di động LTE r

ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Kênh truyền đa đường biến đổi theo thời gian gây nên nhiễu liên kênh trong hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao làm giảm đi hiệu suất của hệ thống, đặc

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

========================

TRẦN VĂN TUẤN

Đề tài:

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG KÊNH VÀ LỌC NHIỄU

CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE-R

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội, 5 – 2018

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

========================

TRẦN VĂN TUẤN

Đề tài:

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG KÊNH VÀ LỌC NHIỄU

CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE-R

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC

Hà Nội, 5 – 2018

i

LỜI NÓI ĐẦU

Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu dưới mái trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng với quãng thời gian nghiên cứu với các bạn sinh viên Phòng nghiên cứu Thông tin di động, đến nay em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và giúp đỡ của các thầy, cô và bạn bè Với vốn kiến thức tiếp thu được không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà là hành trang quý báu để em ứng dụng trong công việc hiện tại

Dự kiến đến năm 2020, Việt Nam sẽ bắt đầu đưa vào sử dụng các tuyến đường sắt trên cao Do đặc thù di chuyển với tốc độ cao, vấn đề thông tin liên lạc trở thành một thách thức lớn đối với các hệ thống này Dưới sự định hướng của PGS.TS Nguyễn

Văn Đức, em đã quyết định lựa chọn đề tài: “Xây dựng phương pháp cân bằng kênh

và lọc nhiễu cho hệ thống thông tin di động LTE-R” cho luận văn tốt nghiệp Luận

văn tập trung khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler đến chất lượng của hệ thống thu phát tín hiệu nhằm đảm bảo thông tin liên lạc dù tàu di chuyển với tốc độ cao Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài luận văn một cách hoàn chỉnh nhất, song vì kiến thức, kinh nghiệm cũng như kỹ năng nghiên cứu còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa nhận thấy được Em rất mong nhận được sự góp ý quý báu của thầy, cô để bài luận văn được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 03 tháng 05 năm 2018

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Kênh truyền đa đường biến đổi theo thời gian gây nên nhiễu liên kênh trong

hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao làm giảm đi hiệu suất của hệ thống, đặc biệt nghiêm trọng với hệ thống tàu cao tốc vì các tàu luôn di chuyển với tốc độ cao Trong luận văn này sẽ tập chung vào phương pháp ước lượng giá trị kênh truyền ở phía bên thu, việc này sẽ mang tính chất quan trọng trong việc khôi phục tín hiệu tốt hay xấu Ở các phương pháp ước lượng truyền thống, do kênh truyền không biến đổi hoặc biến đổi chậm trong khoảng thời gian nào đó, nên việc ước lượng kênh khá đơn giản dựa trên mẫu tín hiệu dẫn đường chèn phía bên phát Tuy nhiên, khi kênh truyền biến đổi rất nhanh theo thời gian, ta cần phải thay đổi cấu trúc chèn mẫu tín hiệu dẫn đường mới cùng với phương pháp nội suy đem lại kết quả tốt hơn Sau khi ước lượng kênh, ta phải cân bằng kênh để loại bỏ nhiễu ICI Do tín hiệu ảnh hưởng bởi hiện tượng đa đường nên bộ cân bằng kênh rất phức tạp, do đó việc

đề xuất phương pháp làm giảm độ phức tạp của thuật toán cân bằng kênh cũng được trình bày chi tiết Kết quả cho thấy phương pháp ước lượng kênh dựa trên cấu trúc chèn tín hiệu dẫn đường mới cùng với phương pháp cân bằng kênh đem lại kết quả vượt trội so với các phương pháp thông thường

Abstract – In Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), mobile

communication systems time-varying channels cause an Inter Carrier Interference (ICI) and degrade the performance due to the frequency orthogonality loss, especially

in High Speed Railways (HSRs) systems because train always move with high speed

In this thesis, we will focus on the method of estimating the channel value on the receiving side, this will be important in restoring good or bad signals In traditional estimation methods, because the channel is unmodified or slow to change over time, channel estimation is fairly straightforward based on the transmitter side insertion pattern However, When the channel changes very fast over time, we need to change the insertion pattern of the new navigation signal together with the interpolation

iii

method to produce better results After channel estimation, the channel must be balanced to eliminate ICI noise Because the signal is affected by multipath, the channel equalizer is very complex Therefore, the proposed method of reducing the complexity of the channel equalization algorithm is presented in detail The results show that the channel estimation method based on the new signal insertion structure along with the channel equalization method yields superior results compared to conventional methods

iv

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình thực hiện luận văn em được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Văn Đức, luận văn này là kết quả nghiên cứu do bản thân em thực hiện Em

xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong luận văn này và các số liệu tính toán hoàn toàn rõ ràng, trung thực và chưa từng được công bố tại bất kỳ tài liệu nào khác Các tài liệu nghiên cứu trước đây dùng để phân tích và đánh giá đều được trích dẫn

cụ thể và rõ ràng

Hà Nội, ngày 03 tháng 05 năm 2018 Học viên

Trần Văn Tuấn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG LTE-R……2

1.1 Tổng quan kỹ thuật OFDM 2

1.1.1 Ưu, nhược điểm của hệ thống OFDM 2

1.1.1.1 Ưu điểm 2

1.1.1.2 Nhược điểm 2

1.1.2 Phương pháp điều chế đơn sóng mang và đa sóng mang 3

1.1.2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang 3

1.1.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang 3

1.1.3 Nguyên lý kỹ thuật OFDM 5

1.1.3.1 Tính trực giao (Orthogonality) 5

1.1.3.2 Điều chế và giải điều chế trong kỹ thuật OFDM 6

1.1.3.3 Khoảng bảo vệ trong kỹ thuật OFDM 9

1.2 Tổng quan hệ thống LTE-R 10

1.2.1 Giới thiệu chuẩn LTE 10

1.2.2 Giới thiệu công nghệ LTE-R 11

1.2.2.1 Đặc tính công nghệ 11

1.2.2.2 Thách thức về ước lượng kênh truyền và nhiễu ICI trong hệ thống HSRs 13

a, Ước lượng kênh truyền 13

b, Nhiễu ICI 13

KẾT LUẬN CHƯƠNG 14

CHƯƠNG 2 KÊNH FADING NHANH THỜI GIAN TRONG HỆ THỐNG LTE-R……… 15

2.1 Cơ sở lý thuyết kênh vô tuyến 15

2.1.1 Phân loại kênh truyền 15

2.1.1.1 Fading gây ra bởi trải trễ của kênh đa đường 15

2.1.1.2 Fading gây ra bởi hiệu ứng Doppler 16

2.1.2 Hiện tượng đa đường 16

2.1.3 Hiệu ứng Doppler 18

2.1.4 Bề rộng ổn định của kênh 19

2.1.4.1 Bề rộng ổn định về mặt tần số của kênh 19

2.1.4.2 Bề rộng ổn định về mặt thời gian của kênh 19

2.2 Mô hình kênh trong hệ thống LTE-R 19

2.2.1 Kịch bản D2a mô hình kênh WINNER II 20

2.2.2 Mô phỏng kênh biến thiên nhanh theo thời gian sử dụng phương pháp Monte Carlo 22

KẾT LUẬN CHƯƠNG 24

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH, CÂN BẰNG KÊNH VÀ LỌC NHIỄU 25

3.1 Phương pháp ước lượng kênh 25

3.1.1 Phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu dẫn đường 25

3.1.1.1 Ước lượng kênh dựa trên sự sắp xếp tín hiệu dẫn đường theo dạng

khối 26

3.1.1.2 Ước lượng kênh dựa trên sự sắp xếp tín hiệu dẫn đường theo dạng lược 27

3.1.2 Các phương pháp ước lượng kênh dùng trong hệ thống OFDM 28

3.1.2.1 Giải thuật ước lượng kênh Least Square 28

3.1.2.2 Các hàm nội suy kênh truyền trong miền tần số 29

3.1.1.1 Nội suy tuyến tính 30

3.1.1.2 Nội suy bậc 2 31

3.1.1.3 Nội suy Spline 31

3.1.2.3 Các hàm nội suy kênh truyền trong miền thời gian 32

a, Hàm tuyến tính 32

b, Nội suy Cubic Hermite 34

c, Nội suy Cubic Spline 36

3.2 Phương pháp cân bằng kênh và lọc nhiễu 37

3.2.1 Phương pháp tự triệt tiêu nhiễu 37

3.2.2 Phương pháp cân bằng kênh sử dụng ma trận kênh trong miền tần số 39

3.2.3 Phương pháp cân bằng kênh sử dụng ma trận kênh con 40

KẾT LUẬN CHƯƠNG 42

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG………43

4.1 Thông số mô phỏng 43

4.2 So sánh giá trị MSE giữa các phương pháp trên miền thời gian 43

4.3 So sánh giá trị SER giữa các phương pháp trên miền thời gian 44

KẾT LUẬN CHƯƠNG 46

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……….… 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 50

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Sơ đồ cấu trúc và đặc tính quang phổ của hệ thống truyền dẫn đa sóng

mang [2] 4

Hình 1 2 Sơ đồ bộ điều chế và giải điều chế OFDM [2] 8

Hình 1 3 Sơ đồ của hệ thống OFDM hoàn chỉnh [2] 9

Hình 1 4 Ảnh hưởng của ISI đối với tín hiệu OFDM khi không có chuỗi bảo vệ [2] 10

Hình 2 1 Mô hình hiện tượng đa đường………17

Hình 2 2 Hiện tượng trải trễ 18

Hình 2 3 Sự dịch chuyển tương đối của máy thu 18

Hình 2 4 Phép biến đổi biến ngẫu nhiên u k l, thành các tham số tần số f k l, phục vu ̣cho phép mô phỏng kênh Monte Carlo [Paul99] 22

Hình 2 5 Nội suy kênh WINNER II D2a 24

Hình 3 1 Chèn mẫu tín hiệu dẫn đường dạng khối [2]……… 26

Hình 3 2 Chèn mẫu tín hiệu dẫn đường dạng lược [2] 27

Hình 3 3 So sánh các phương pháp nội suy trong miền tần số 32

Hình 3 4 Cấu trúc tín hiệu bên phát trong hệ thống ước lượng kênh tuyến tính trong miền thời gian [9] 33

Hình 3 5 Giá trị nội suy tuyến tính so với giá trị thật của kênh truyền tại tần số max 1204 D f  Hz [9] 34

Hình 3 6 Cấu trúc chèn mẫu tín hiệu dẫn đường đề xuất 34

Hình 3 7 So sánh biên độ giá trị ước lượng CIR giữa các phương pháp khác nhau trên miền thời gian 36

Hình 3 8 Sơ đồ hệ thống sử dụng phương pháp tự triệt tiêu nhiễu 38

Hình 3 9 Mô tả trực quan phép ánh xạ [12] 38

Hình 3 10 Cấu trúc một ký tự OFDM 39 Hình 4 2 So sánh tỷ lệ MSE giữa các phương pháp khác nhau trên miền thời gian…44

Hình 4 1 So sánh giá trị lỗi ký tự SER giữa các phương pháp tại tần số Doppler

max 1204

D

f  Hz 45

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Thông số kênh truyền của kịch bản WINNER II D2a 21

Bảng 2 2 Tần số Doppler ứng với tần số sóng mang 0.7 GHz 21

Bảng 2 3 Tần số Doppler ứng với tần số sóng mang 1.8 GHz 21

Bảng 2 4 Tần số Doppler ứng với tần số sóng mang 2.6 GHz 22

Bảng 2 5 Thông số của kênh WINNER II D2a sau khi nội suy 23

Bảng 4 1 Thông số mô phỏng của hệ thống……….43

Bảng 4 2 Bảng so sánh chạy chương trình của hai phương pháp đề xuất 46

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

2G, 3G, 4G Second, third, fourth

Generation of mobile telecommunications technology

Công nghệ thông tin di động thế

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng cộng có hàm phân bố

xác suất Gauss

𝐶𝐼𝑅 Carrier to Interference Ratio Tỷ số công suất sóng mang trên

công suất nhiễu liên kênh CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh

CSI Channel state information Trạng thái kênh

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

GSM Global System for Mobile

communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

GSM-R Global System for Mobile

communications for Railways

Chuẩn GSM áp dụng cho hệ thống tàu cao tốc

HSRs High Speed Railways Hệ thống tàu cao tốc

IC ICI Improvement Self –

Cancellation

Cải tiến của phương pháp tự triệt nhiễu ICI

ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên kênh

ISI Inter Ký tự Interference Nhiễu liên ký tự

LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

LTE-R Long Term Evolution for

𝑀𝑆𝐸 Mean Squared Error Lỗi trung bình bình phương

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PDP Power Delay Profile Hàm công suất trễ

PSK Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

𝑆𝐼𝑁𝑅 Signal to Interference and

Noise power ratio

Tỷ số năng lượng tín hiệu trên năng lượng nhiễu ICI cộng nhiễu nền

𝑆𝑁𝑅 Signal to Noise Ratio Tỷ số năng lượng tín hiệu trên

nhiễu

1

PHẦN MỞ ĐẦU

Sự mất tính trực giao giữa các sóng mang con gây ra bởi kênh truyền đa đường biến đổi theo thời gian trong hệ thống OFDM dẫn đến hiện tượng nhiễu ICI, gây ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của hệ thống Để khôi phục được tín hiệu tốt nhất thì chất lượng ước lượng kênh đòi hỏi càng phải cao và bộ cân bằng kênh đủ tốt để loại bỏ được sự ảnh hưởng của nhiễu ICI

Có một số phương pháp được đưa ra để giảm ảnh hưởng của nhiễu ICI gây ra bởi kênh truyền đa đường biến đổi theo thời gian như phương pháp mã hóa tự triệt

nhiễu (ICI Self – Cancellation), dùng bộ lọc ở miền thời gian… Tuy nhiên các phương

pháp này hoặc là sử dụng băng thông không hiệu quả hoặc là không còn tác dụng khi kênh biến đổi rất nhanh theo thời gian Nổi bật trong số đó là phương pháp dựa trên mẫu tín hiệu dẫn đường Tín hiệu dẫn đường được truyền cùng tín hiệu mang thông tin Ở phía thu, ta tính được giá trị đáp ứng kênh truyền tại mẫu tín hiệu dẫn đường rồi dùng phương pháp nội suy để tính giá trị đáp ứng kênh truyền ở mẫu tín hiệu chứa thông tin

Trong luận văn này, em xin trình bày phương pháp nội suy kênh dùng hàm Cubic Hermite và Cubic Spline kết hợp với cấu trúc chèn mẫu tín hiệu dẫn đường trên miền thời gian đem lại kết quả vượt trội so với các phương pháp hiện tại Bên cạnh đó, nhờ việc ước lượng kênh chính xác trong môi trường kênh đa đường biến đổi nhanh theo thời gian nên việc cân bằng kênh trở nên hiệu quả hơn, loại bỏ nhiễu ICI tốt hơn hẳn so với các phương pháp lọc nhiễu thông thường như phương pháp Self-Cancellation hay phương pháp dùng bộ lọc Kalman:

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM và hệ thống LTE-R

Chương 2: Kênh Fading nhanh thời gian trong hệ thống LTE-R

Chương 3: Các phương pháp ước lượng kênh, cân bằng kênh và lọc nhiễu Chương 4: Kết quả mô phỏng

Sau đây là nội dung chi tiết của từng chương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ

1.1 Tổng quan kỹ thuật OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là ghép kênh phân

chia theo tần số trực giao Một trong những vấn đề rất phức tạp trong truyền thông tin với tốc độ cao qua một kênh có băng thông rộng là vấn đề chọn lọc tần số Từ hệ thống truyền tin đơn sóng mang ban đầu các nhà khoa học đã nghiên cứu những ưu, nhược điểm của hệ thống này để phát triển và kế thừa đưa ra hệ thống truyền tin đa sóng mang (FDM), tiếp đó là hệ thống truyền tin đa sóng mang trực giao (OFDM)

1.1.1 Ưu, nhược điểm của hệ thống OFDM

1.1.1.1 Ưu điểm

 Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nếu

độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của

kênh

 Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM

 Đáp ứng được thiết kế hệ thống băng rộng (hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao)

 Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

1.1.1.2 Nhược điểm

 Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mạng phụ, hệ thống OFDM

rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần (frequency offset)

và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ

1.1.2 Phương pháp điều chế đơn sóng mang và đa sóng mang

1.1.2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang

Trong phương pháp này, dòng tín hiệu được truyền đi toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu bằng độ rộng băng tần và mỗi mẫu tín hiệu có độ dài [1]:

1

SC

T B

Ký hiệu T SC là độ dài của một mẫu tín hiệu có đơn vị là giây ( )s còn B là bề rộng băng tần của hệ thống với đơn vị là hertz (Hz).

Phương pháp điều chế đơn sóng mang có những nhược điểm sau:

 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn Thông thường, bộ cân bằng kênh ở phía thu sẽ được thiết kế để khắc phục hiện tượng này, tuy nhiên độ phức tạp của bộ cân bằng kênh này sẽ tăng cùng với tốc độ của dòng dữ liệu

 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với hệ thống Do băng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số

1.1.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con

là khác nhau

Hình 1 1 Sơ đồ cấu trúc và đặc tính quang phổ của hệ thống truyền dẫn đa sóng

Từ đó chúng ta có thể nêu ra một số các ưu điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang

so với các phương pháp điều chế đơn sóng mang:

 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI (Inter-ký tự Interference) giảm

 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm nhiều kênh phụ

 Từ hai ưu điểm trên dẫn đến độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm

Tuy nhiên phương pháp này còn một số nhược điểm cơ bản sau:

5

 Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time

selectivity) Điều này được biết đến là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên

Dẫn đến sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu

Phương pháp truyền dẫn đa sóng mang đã khắc phục được những hạn chế của

hệ thống truyển tin đơn sóng mang, đặc biệt là hiện tượng fading lựa chọn tần số trong hệ thống băng rộng Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống ngày trở nên phức tạp khi

sử dụng quá nhiều các bộ mã/giải điều chế và yêu cầu các bộ lọc chất lượng cao đặc biệt khi số lượng sóng mang con tăng Từ đó yêu cầu một hệ thống truyền tin mới khắc phục và kế thừa những ưu, nhược điểm của hệ thống truyền tin đa sóng mang

1.1.3 Nguyên lý kỹ thuật OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Vì khoảng thời gian

ký tự tăng lên làm cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi

ký tự OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi ký tự OFDM được mở rộng theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

1.1.3.1 Tính trực giao (Orthogonality)

Khoảng cách giữa 2 sóng mang con liên tiếp là 1

s

B f

   , trong đó T s là độ dài của một sóng mang con, Nlà số sóng mang con và Blà độ rộng băng thông của

j f k

 với

0 t t sym Điều kiện để 2 sóng mang thứ k và i trực giao tuân theo điều kiện sau:

T sym

T sym

1.1.3.2 Điều chế và giải điều chế trong kỹ thuật OFDM

Bộ tạo tín hiệu OFDM sẽ mã hóa dòng bit thành ký tự tùy theo bộ điều chế là PSK và QAM, chuyển thành N ký tự được mang trên từng sóng mang con riêng biệt Giả xử X l[k] là trên lth ký tự OFDM tại sóng mang con kth với l 0,1, 2, ,, 0,1, 2, , 1

k  N  Do thời gian để truyền hết N ký tự là NT s, dẫn đến độ dài của một OFDM thứ lth tại sóng mang con thứ kthđược định nghĩa:

2

( ), 0 , ( ) {0, elsewhere

T N

 là giá trị của y tl( ) tại thời gian t lT sym nT s. Do đó phương

trình (1.9) trên có thể biểu diễn dưới dạng như sau:

Hình 1.2 mô tả bộ điều chế và giải điều chế OFDM với tín hiệu ở miền tần

số X k được điều chế tương ứng với sóng mang ở tần số f k k T/ sym với N  6 Hình 1.3 mô tả một sơ đồ hệ thống OFDM hoàn chỉnh

Hình 1 2 Sơ đồ bộ điều chế và giải điều chế OFDM [2]

9

Hình 1 3 Sơ đồ của hệ thống OFDM hoàn chỉnh [2]

1.1.3.3 Khoảng bảo vệ trong kỹ thuật OFDM

Xét tín hiệu OFDM thứ lth ,

1

2 ( ) 0

Hình 1 4 Ảnh hưởng của ISI đối với tín hiệu OFDM khi không có chuỗi bảo vệ [2]

Từ hình trên ta có thể thấy tín hiệu OFDM ký tự thứ nhất chồng lấn lên tín hiệu OFDM ký tự thứ hai, sinh ra nhiễu ISI Từ đó hiển nhiên thấy sự trực giao giữa các sóng mang con không còn tồn tại nữa Do vậy, cần có một biện pháp thích hợp để đối phó với hiện tượng này

1.2 Tổng quan hệ thống LTE-R

1.2.1 Giới thiệu chuẩn LTE

LTE (Long Term Evolution) là bước tiến được coi như hệ thống thông tin di

động thế hệ thứ 4 hay còn gọi là 4G Nhìn lại chặng đường về quá trình phát triển của thông tin di động với những dấu mốc quan trọng Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Misouri của Mỹ Thuật ngữ thông tin di động được ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng

11

lẻ thành công đã giải được bài toán khó về dung lượng LTE được hãng NTT DoCoMo của Nhật đề xuất đầu tiên vào năm 2004, các nghiên cứu về tiêu chuẩn này chính thức bắt đầu vào năm 2005 Tiêu chuẩn LTE được hoàn thành vào tháng 12 năm 2008 và dịch vụ LTE đầu tiên được hãng TeliaSonera khai trương ở Oslo và Stockholm vào ngày 14 tháng 12 năm 2009 Các dịch vụ LTE đã được đưa vào ứng dụng thực tiễn, dẫn đầu tại các nước phát triển: Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, … Hiện tại các nhà mạng tại Việt Nam cũng đã triển khai công nghệ LTE phục vụ đáp ứng cho các nhu cầu sử dụng mạng tốc độ cao

Đặc tính kỹ thuật nổi bật có ở công nghệ LTE:

 Hỗ trợ băng thông linh hoạt 1,5 MHz đến 20 MHz

 Tốc độ tải xuống đỉnh đạt 300 Mbit/s, tốc độ tải lên đỉnh đạt 75 Mbit/s

 Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 -15 km/h Vẫn hoạt động tốt với tốc độ 15 - 120 km/h

 Băng tần sử dụng: LTE có thể triển khai ở nhiều băng tần khác nhau như ở tần

số 700 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz, 2300 MHz …

 Ngoài làm tăng tốc độ số liệu thực LTE còn làm giảm trễ gói

 Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu LTE được xác định trên mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên công nghệ OFDM cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên

 Hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM được nâng cao nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế bậc cao 64 QAM Mã hóa turbo, mã hóa xoắn cùng với các kỹ thuật

vô tuyến bổ xung như kỹ thuật MIMO kết quả là thông lượng trung bình tăng lên 5 lần so với HSPA

 Môi trường toàn IP LTE là sự di chuyển tới mạng lõi toàn IP với giao diện

mở và kiến trúc đơn giản hóa Đây là bước chuyển đổi của 3GPP từ hệ thống mạng lõi đang tồn tại kết hợp song song trước đó là chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói sang mạng lõi

1.2.2 Giới thiệu công nghệ LTE-R

1.2.2.1 Đặc tính công nghệ

Truyền thông không dây trong môi trường di động cao đã thu hút được sự chú

ý đáng kể trong vài năm qua, do việc triển khai quy mô lớn các hệ thống đường sắt

tốc độ cao (High Speed Railways-HSRs) và các hệ thống bay tầm thấp (LAFO) [3]

Truyền thông di động cao đã được kết hợp như là một phần không thể tách rời của truyền thông thế hệ thứ 5 (5G) [4], [5] Các hệ thống 5G dự kiến sẽ cung cấp các dịch

vụ băng thông rộng đồng thời cho một số lượng lớn người dùng ứng dụng với tốc độ lên tới 500 Km/h Tốc độ đạt được cho hệ thống HSRs với tốc độ truyền dữ liệu là

150 Mbps trở lên [6] Tốc độ thậm chí còn cao hơn đối với các hệ thống LAFO, ở đó tốc độ tương đối giữa máy phát và máy thu có thể lên đến 1000 Km/h hoặc cao hơn Công nghệ LTE-R tương thích tốt với cơ sở hạ tầng mạng hiện có, có độ tin cậy cao và hoạt động ổn định mặc dù các tàu di chuyển với tốc độ nhanh Đồng thời,

nó phải đáp ứng được việc truyền dẫn hiệu quả một lượng dữ liệu lớn để cung cấp cho các dịch vụ khác nhau trong hệ thống HSRs Đặc biệt, công nghệ LTE-R phải đảm bảo được những yêu cầu đặc thù của hệ thống HSRs như cảnh báo tai nạn, phản ứng ngay lập tức với các sự cố xảy ra trong hệ thống Các dịch vụ trong hệ thống

HSRs (HSRs services) được phân ra làm 2 nhóm:

 Các dịch vụ lõi (core services): các dịch vụ lõi bao gồm dịch vụ cảnh báo tình trạng khẩn cấp (mission critical services), dịch vụ truyền thoại (operational

voice services), dịch vụ truyền số liệu (operational data services) để điều

khiển hoạt động của tàu

 Các dịch vụ gia tăng (additional communication services): các dịch vụ gia tăng bao gồm các dịch vụ cá nhân dành cho hành khách (passenger experience

services) như truy cập Internet tốc độ cao và các dịch vụ hỗ trợ công việc nhóm

(business process support services) như cuộc gọi thoại hay gửi tin nhắn theo

nhóm để bàn bạc công việc từ xa

Hầu hết các hệ thống truyền thông không dây hiện nay được thiết kế cho người dùng có tính di động thấp hoặc trung bình và tính di động cao hạn chế đáng kể diện tích vùng phủ sóng và tốc độ truyền Hệ thống thông tin di động cao phổ biến nhất là

hệ thống truyền thông di động cho đường sắt (GSM-R), hỗ trợ tốc độ dữ liệu tối đa dưới 200 Kbps và dịch vụ dữ liệu băng hẹp chỉ có thể được sử dụng cho điều khiển hoạt động của tàu Các công nghệ hiện tại được phát triển chủ yếu cho người sử dụng

13

di động di chuyển với tốc độ vừa và nhỏ không thể được áp dụng cho các kịch bản di động cao với tốc độ lên đến 500 Km/h hoặc cao hơn, nơi mà sự chuyển động nhanh của các thiết bị đầu cuối không dây sẽ làm suy giảm nghiêm trọng hiệu năng hệ thống

và làm cho hệ thống không hoạt động Do đó, bắt buộc phải phát triển các lý thuyết

và công nghệ mới được thiết kế đặc biệt cho các môi trường di động cao và họ sẽ có thể đối phó với những thách thức và cơ hội từ truyền thông di động cao

1.2.2.2 Thách thức về ước lượng kênh truyền và nhiễu ICI trong hệ thống HSRs

a, Ước lượng kênh truyền

Trong hệ thống thông tin không dây do biến thiên fading nhanh, việc ước tính chính xác, theo dõi và dự đoán các hệ số fading theo thời gian nhanh Ước lượng kênh truyền là một nhiệm vụ không dễ dàng trong các hệ thống thông tin không dây và hiệu suất ước lượng có thể có những tác động đáng kể đến hiệu suất hệ thống tổng thể Trong nhiều hệ thống thông tin, lỗi ước lượng kênh truyền là không thể tránh khỏi và chúng sẽ làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất của hệ thống Giả định chung

về thông tin trạng thái kênh lý tưởng (CSI) áp dụng cho việc thiết kế các hệ thống thông tin không dây hiện tại không còn hợp lệ đối với các hệ thống thông tin không dây tốc độ cao Do đó các thiết kế của máy thu - phát cần phải tính đến các thuộc tính của các lỗi ước lượng kênh

Việc thiết kế cho hệ thống mới cần tính toán đến sai số trong việc ước lượng kênh truyền mà còn phải đảm bảo tính ứng dụng khi triển khai vào thực tế Tốc độ của tàu sắt thay đổi tương ứng với thời gian dẫn đến các hệ số của kênh truyền cũng biến thiên theo và thay đổi trên từng sóng mang con Do đó việc ước lượng chính xác giá trị kênh truyền trên từng sóng mang con trong từng OFDM ký tự yêu cầu một khối lượng tính toán lớn Tính ngẫu nhiên cùng với sự biến đổi nhanh theo thời gian dẫn đến thách thức trong việc xây dựng và tính toán chính xác các tham số của kênh truyền trong hệ thống HSRs

b, Nhiễu ICI

Nhiễu ICI trong hệ thống OFDM thông tin không dây là do 2 yếu tố:

 Lệch đồng bộ giữa Ocillator giữa bên phát và bên thu (Carrier Frequency

Offset-CFO)

 Hiện tượng dịch tần Doppler do sự di chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu

Các hệ thống OFDM thông thường được thiết kế chủ yếu cho các hệ thống có

sự lựa chọn fading chọn lọc tần số bán tĩnh, nơi mà kênh vẫn không đổi trong một

khoảng thời gian OFDM Hiện tượng dịch tần (Doppler Shift) xảy ra ở bên thu gây ra

sự mất đồng bộ tần số giữa Ocillator ở bên phát và bên thu Ngay cả khi không có hiện tượng Doppler thì vẫn có hiện tượng CFO gây ra bởi sự không ổn định của Ocillators ở hai bên phát và thu CFO gây ra sự mất trực giao giữa các sóng mang con trong hệ thống OFDM, gây ra nhiễu ICI Ngoài ra hiện tượng dịch tần thay đổi tương ứng theo thời gian , do đó giá trị CFO cũng thay đổi theo thời gian gây ra sự khó khăn cho việc tính toán theo dõi và hạn chế nó Trong hệ thống OFDM thông

thường chỉ chịu ảnh hưởng bởi hiện tượng lựa chọn tần số (frequency selective fading)

do ảnh hưởng của hiện tượng trễ đa đường nên giá trị kênh truyền không đổi trong một ký tự OFDM Nhưng trong hệ thống HSRs chịu ảnh hưởng của hiện tượng lựa chọn cả về mặt thời gian nên giá trị kênh truyền sẽ biến đổi ngay trong một ký tự OFDM gây khó khăn trong việc ước lượng các tham số của kênh truyền Phương pháp ước lượng kênh đề xuất sẽ được trình bày chi tiết trong các chương tới, với mục đích đưa ra phương pháp ước lượng kênh tối ưu cho hệ thống HSRs

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Kỹ thuật OFDM đã được trình bày ngắn gọn trong chương này Những ưu điểm và hạn chế cũng được liệt kê Với lợi thế về tốc độ truyền dẫn, kỹ thuật này đã được sử dụng trong nhiều chuẩn truyền dẫn trong thông tin di động và thông tin không dây phạm vi hẹp Công nghệ LTE-R của tương lai hứa hẹn cũng sử dụng kỹ thuật OFDM

để thực hiện đa truy nhập Tuy nhiên, để triển khai thực tế, cần có các phương pháp đặc biệt để khắc phục các khó khăn hiện tại của GSM-R

15

GIAN TRONG HỆ THỐNG LTE-R

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc rất nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu Tín hiệu đi qua kênh truyền bị suy hao do phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ… các hiện tượng này được gọi chung là fading Do đó nắm được đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa và xây dựng hệ thống thông tin một cách hợp lý Trong chương này sẽ trình bày tổng quan

về kênh vô tuyến nói chung và mô hình kênh cho hệ thống LTE-R (Winner II D2a) nói riêng

2.1 Cơ sở lý thuyết kênh vô tuyến

2.1.1 Phân loại kênh truyền

Kiểu fading của tín hiệu khi đi qua kênh truyền vô tuyến phụ thuộc vào mối

quan hệ giữa các thông số của tín hiệu (băng thông B s, thời gian một ký tự T s) và các

thông số của kênh (rms delay spread và Doppler spread B c) Do đó, chúng ta có

4 kiểu fading

2.1.1.1 Fading gây ra bởi trải trễ của kênh đa đường

Fading phẳng (flat fading): hiện tượng này xảy ra khi băng thông của tín hiệu

truyền rất nhỏ so với bề rộng ổn định về tần số của kênh, tương ứng thời gian của ký

tự rất lớn so với rms delay spread của kênh

Fading lựa chọn tần số (frequency selective fading): hiện tượng này xảy ra khi

băng thông của tín hiệu phát lớn hơn bề rộng ổn định về tần số của kênh, tương ứng với thời gian của ký tự nhỏ hơn rms delay spread của kênh

2.1.1.2 Fading gây ra bởi hiệu ứng Doppler

Fading nhanh (fast fading): đáp ứng xung của kênh truyền biến đổi nhanh trong

thời gian của một ký tự, tín hiệu sẽ bị méo do phải chịu hiện tượng phân tán thời gian gây ra bởi hiệu ứng Doppler Hiện tượng fading nhanh xảy ra khi thời gian của một

ký tự rất lớn so với bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh, tương ứng với băng thông của tín hiệu nhỏ hơn bề rộng trải phổ Doppler

Những hệ thống truyền dữ liệu tốc độ thấp sẽ dễ bị chịu ảnh hưởng của fading nhanh

Fading chậm (slow fading): đáp ứng xung của kênh biến đổi rất chậm so với

tốc độ truyền dữ liệu, đáp ứng của kênh gần như không biến đổi trong thời gian của một ký tự

s c

s D

2.1.2 Hiện tượng đa đường

Trong liên lạc vô tuyến, sự lan truyền của sóng được dựa trên cách di chuyển của nó từ bên phát tới bên thu Trên đường đi, chúng chịu tác động chủ yếu của ba hiện tượng: phản xạ, khúc xạ, tán xạ

17

Hình 2 1 Mô hình hiện tượng đa đường

Phản xạ sóng là: hiện tượng vật lí xuất hiện khi sóng điện từ lan truyền đập vào bề mặt vật thể có kích thước rất lớn so với bước sóng

Khúc xạ sóng là: hiện tượng xuất hiện khi đường đi của sóng giữa máy thu

và máy phát bị chắn bởi bề mặt vật cản không đồng nhất hoặc lỗ nhỏ

Tán xạ là: hiện tượng vật lí xuất hiện khi sự bức xạ sóng điện từ bị đánh lệch hướng bởi các vật thể rất nhỏ so với bước sóng Hình 2.1 mô tả các trường hợp truyền sóng như vậy trong môi trường

Do chịu các tác động trên mà sóng từ trạng thái một tia ở đầu phát đã bị tách

ra thành nhiều tia khác nhau đi theo nhiều đường khác nhau tới đầu thu Quãng đường

đi càng dài, cường độ tín hiệu đến càng yếu Ta gọi hiện tượng này là truyền dẫn đa đường, đặc trưng của truyền dẫn trên kênh vô tuyến Hiện tượng đa đường còn dẫn đến hệ quả tín hiệu bị trải trễ Trong khoảng thời gian sau thời điểm tia tới đầu tiên

mà ta gọi là thời gian trải trễ max, các tia tới vẫn theo các đường khác nhau đến đầu

thu Hình 2.2 mô tả đáp ứng xung của kênh truyền khi có trải trễ

Hình 2 2 Hiện tượng trải trễ

2.1.3 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra bởi sự chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát Khi máy phát phát sóng với tần số f c không điều chế, sóng này đi tới máy thu theo nhiều tia Xét tia thứ i:

Hình 2 3 Sự dịch chuyển tương đối của máy thu

Khi đó tín hiệu thu được theo tia sóng thứ i có tần số bị dịch đi một lượng dịch tần Doppler:

bị dịch chuyển, dẫn đến băng thông tín hiệu bị dịch chuyển, gây nên thu sai Ta thấy rằng các tín hiệu có băng thông càng hẹp thì sẽ càng nhạy cảm với hiệu ứng Doppler