Luận án tiến sĩ nghiên cứu triệt tần số doppler và khử nhiễu ici trong hệ thống vô tuyến đường sắt tốc độ cao

Luận án tiến sĩ nghiên cứu giải pháp triệt tần số Doppler và khử nhiễu ICI trong hệ thống vô tuyến đường sắt tốc độ cao, nâng cao hiệu suất truyền dẫn.

• Tác giả: Trịnh Thị Hương
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Văn Yêm
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu triệt tần số Doppler và khử nhiễu ICI trong hệ thống vô tuyến đường sắt tốc độ cao
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. 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
• 1.2. Tổng quan về đường sắt tốc độ cao
• 1.3. Vai trò của thông tin vô tuyến trong đường sắt tốc độ cao
• 1.4. Thông tin vô tuyến đoàn tàu mặt đất phổ biến hiện nay
• 1.5. Thông tin vô tuyến trên một số tuyến đường sắt tốc độ cao hiện tại
• 1.6. Kỹ thuật mới ứng dụng trong thông tin vô tuyến tốc độ cao
• 1.7. Ảnh hưởng của di chuyển tốc độ cao đến chất lượng tín hiệu vô tuyến
• 1.8. Chuyển giao trong môi trường tốc độ cao
• 1.9. Mô hình kênh
• 1.10. Tính di động cao
• 1.11. Các nghiên cứu về CFO/ICI trong thông tin vô tuyến HSR
• 1.12. Tác động của dịch tần Doppler lên OFDM
• 1.13. Mối liên quan giữa CFO và SNR
• 1.14. Các nghiên cứu về CFO/ICI
• 1.15. Các nghiên cứu đã công bố về CFO trong LTE-R
• 1.16. Kết luận chương 1
• 2. 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
• 2.2. Dịch tần Doppler trong thông tin vô tuyến đường sắt tốc độ cao
• 2.3. Phân tích sự dịch tần Doppler trong HSR
• 2.4. Mô phỏng và kết quả
• 2.5. Triệt dịch tần Doppler sử dụng 4 anten định hướng
• 2.5.1. Mô hình hệ thống
• 2.5.2. Mô hình kênh
• 2.6. Mô phỏng và kết quả
• 2.7. Triệt dịch tần Doppler sử dụng 3 anten định hướng
• 2.7.1. Mô hình hệ thống
• 2.7.2. Mô phỏng và kết quả
• 2.8. Bù dịch tần Doppler tại thiết bị chuyển tiếp trên tàu
• 2.8.1. Mô hình hệ thống bù Doppler
• 2.8.2. Quá trình thực hiện bù dịch tần Doppler
• 2.8.3. Kết quả mô phỏng
• 2.9. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN TRIỆT NHIỄU ICI TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐƯỜNG SẮT TỐC ĐỘ CAO
• 3.1. Khái quát chung
• 3.2. Ước lượng và bù CFO sử dụng CP trong HSR
• 3.3. Phân tích đề xuất
• 3.4. Kết quả mô phỏng
• 3.5. Thuật toán ước lượng CFO kép trong HSR
• 3.6. ICI trong môi trường đường sắt tốc độ cao
• 3.7. Mô hình hệ thống đề xuất
• 3.8. Mô hình bù CFO đề xuất
• 3.9. Mô hình toán học
• 3.10. Thuật toán ước lượng
• 3.11. Kết quả mô phỏng
• 3.12. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tần số Doppler và khử nhiễu ICI

Nghiên cứu về tần số Doppler trong hệ thống vô tuyến đường sắt tốc độ cao (HSR) là một lĩnh vực quan trọng. Hiệu ứng Doppler gây ra sự thay đổi tần số của tín hiệu khi nguồn phát và người nhận di chuyển tương đối với nhau. Trong môi trường HSR, tốc độ di chuyển cao của tàu dẫn đến sự dịch tần số lớn, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Khử nhiễu ICI (Inter Carrier Interference) là một thách thức lớn trong việc duy trì chất lượng tín hiệu trong các hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển các phương pháp triệt và bù dịch tần Doppler, từ đó giảm thiểu nhiễu ICI và cải thiện hiệu suất của hệ thống thông tin vô tuyến.

1.1. Tác động của dịch tần Doppler

Dịch tần Doppler có thể gây ra sự suy giảm chất lượng tín hiệu trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Khi tàu di chuyển với tốc độ cao, tần số của tín hiệu nhận được sẽ bị thay đổi, dẫn đến hiện tượng nhiễu ICI. Điều này đặc biệt nghiêm trọng trong các hệ thống sử dụng OFDM, nơi mà các sóng mang gần nhau có thể gây ra sự can thiệp lẫn nhau. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc triệt và bù dịch tần Doppler là cần thiết để duy trì chất lượng tín hiệu và giảm thiểu tác động của nhiễu ICI. Các phương pháp như sử dụng anten định hướng và thuật toán ước lượng CFO (Carrier Frequency Offset) đã được đề xuất để giải quyết vấn đề này.

1.2. Công nghệ vô tuyến trong HSR

Công nghệ vô tuyến hiện tại trong HSR chủ yếu dựa vào các hệ thống như GSM-R và TETRA, nhưng những hệ thống này không đáp ứng được nhu cầu băng thông cao cho cả điều khiển tàu và hành khách. Nhu cầu về thông tin băng rộng trong HSR là rất lớn, với yêu cầu từ 0,5 đến 5 Gbit/s. Do đó, việc phát triển các công nghệ mới như LTE cho HSR là cần thiết. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu và giảm thiểu tác động của nhiễu ICI thông qua các phương pháp triệt tần số Doppler và bù dịch tần số. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống thông tin vô tuyến trong HSR.

II. Phân tích và mô phỏng dịch tần Doppler

Phân tích dịch tần Doppler trong môi trường HSR là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Mô phỏng các kịch bản khác nhau cho phép đánh giá tác động của dịch tần Doppler đến chất lượng tín hiệu. Các mô hình kênh được xây dựng để phản ánh các điều kiện thực tế mà tàu phải đối mặt khi di chuyển với tốc độ cao. Việc sử dụng nhiều anten định hướng trong mô phỏng cho thấy khả năng triệt dịch tần Doppler hiệu quả hơn, từ đó giảm thiểu nhiễu ICI. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các thuật toán triệt và bù dịch tần Doppler có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ lỗi bit (BER) trong hệ thống.

2.1. Mô hình kênh và kết quả mô phỏng

Mô hình kênh được xây dựng dựa trên các yếu tố như tốc độ di chuyển của tàu, khoảng cách giữa các anten và điều kiện môi trường. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng dịch tần Doppler có thể làm giảm chất lượng tín hiệu một cách đáng kể. Việc sử dụng mô hình 4 anten định hướng cho thấy khả năng triệt dịch tần Doppler tốt hơn so với mô hình 3 anten. Các kết quả này cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu hình anten có thể giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống thông tin vô tuyến trong HSR.

2.2. Triệt dịch tần Doppler và bù CFO

Triệt dịch tần Doppler và bù CFO là hai phương pháp chính được nghiên cứu trong luận án này. Việc áp dụng các thuật toán triệt dịch tần Doppler cho thấy khả năng giảm thiểu nhiễu ICI hiệu quả. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc bù dịch tần Doppler tại thiết bị chuyển tiếp trên tàu cũng có tác động tích cực đến chất lượng tín hiệu. Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách thức cải thiện hệ thống thông tin vô tuyến trong HSR, từ đó đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao về thông tin băng rộng trong lĩnh vực giao thông vận tải.

III. Thuật toán ước lượng và khử nhiễu ICI

Nghiên cứu về thuật toán ước lượng và khử nhiễu ICI trong hệ thống thông tin vô tuyến HSR là một phần quan trọng trong luận án. Các thuật toán này được thiết kế để ước lượng chính xác dịch tần Doppler và giảm thiểu tác động của nhiễu ICI. Việc áp dụng các phương pháp ước lượng kép cho thấy khả năng cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng các thuật toán này có thể giúp duy trì chất lượng tín hiệu trong môi trường di chuyển tốc độ cao.

3.1. Mô hình toán học và thuật toán ước lượng

Mô hình toán học được xây dựng để mô phỏng các điều kiện thực tế trong HSR. Các thuật toán ước lượng được phát triển dựa trên các mô hình này, cho phép ước lượng chính xác dịch tần Doppler. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng các thuật toán ước lượng có thể giúp cải thiện tỷ lệ lỗi bit (BER) trong hệ thống. Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách thức tối ưu hóa hệ thống thông tin vô tuyến trong HSR.

3.2. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng các thuật toán ước lượng và khử nhiễu ICI có thể cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu trong môi trường HSR. Việc áp dụng các phương pháp này trong thực tế sẽ giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống thông tin vô tuyến, đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao về thông tin băng rộng trong lĩnh vực giao thông vận tải. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn quan trọng trong việc phát triển hệ thống thông tin vô tuyến cho đường sắt tốc độ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN TRONG ĐƯỜNG SẮT TỐC ĐỘ CAO 1. Hệ thống thông tin vô tuyến trên một số tuyến đường sắt tốc độ cao 1. Tổng quan về đường sắt tốc độ cao Có một vài định nghĩa khác nhau về đường sắt tốc độ cao tồn tại trên thế giới, theo nguồn [1] đường sắt tốc độ cao là các hệ thống xe lửa và cơ sở hạ tầng hoạt động thường xuyên với tốc độ 250 km/h trở lên trên các tuyến đường ray mới hay 200 km/h trên các tuyến đường ray có sẵn.

Theo nguồn [2,3] có hai loại đường sắt tốc độ cao tại Trung Quốc, loại thứ nhất hoạt động ở tốc độ trong khoảng 200 và 250 km/h và ngoài các toa chở khách còn có các toa chở hàng. Loại thứ hai, hoạt động với tốc độ tối đa là 350 km/h chỉ để chở khách. Ngày nay IoT đang phát triển, các phương tiện giao thông thông minh cũng đang được phát triển, nhu cầu mạng thông tin băng rộng để truyền tải các thông tin trong 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]. HSR cũng nằm trong xu hướng phát triển này.

Tuyến đường sắt tốc độ cao đầu tiên trên thế giới với vận tốc khai thác năm 1964 là 210 km/h trên khổ đường đường 1435 mm, chiều dài khoảng 515 km, nối liền Tokyo–Nagoya–Kyoto - Osaka của Nhật Bản. Đến năm 1981, Pháp đã đưa vào vận hành tàu cao tốc TGV trên tuyến đường Paris - Lyon. Tiếp đến năm 1991, Đức phát triển hệ thống ICE và bắt đầu khai thác trên các đoạn Hanover-Würzburg và Mannheim-Stuttgart. Italia và Tây Ban Nha tiếp bước phát triển mạng đường sắt tốc độ cao.

Ở châu Á, Hàn Quốc bắt đầu khai thác đường sắt tốc độ cao từ năm 2004, Đài Loan năm 2007 và Trung Quốc năm 2008 [7]. Tính đến nay, trên thế giới nhiều quốc gia đã phát triển đường sắt cao tốc để kết nối các thành phố lớn như: Áo, Bỉ, Trung Quốc, Pháp, Đức, Ý, Nhật Bản, Ba Lan, Bồ Đào Nha, Nga, Hàn Quốc, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Đài Loan, Thổ Nhĩ Kỳ, Vương quốc Anh, Hoa Kỳ và Uzbekistan. Trong số đó, 9 quốc gia có thể khai thác tàu cao tốc với vận tốc trên 300 km/h và 7 quốc gia khai thác chạy tàu với vận tốc 6 lớn hơn 200 km/h [8]. Danh sách các tàu chạy với vận tốc cao nhất đang vận hành tính đến năm 2017 theo [9].

Shanghai Maglev: tốc độ là 430 km/h (270 mph) ( Trung Quốc) 2. CR400AF, CR400BF, CRH2C, CRH3C, CRH380A & AL, CRH380B, BL & CL, CRH380D & DL: tốc độ là 350 km/h (220 mph) ( Trung Quốc) 3. SNCF TGV Duplex, SNCF TGV Réseau, SNCF TGV POS, TGV Euroduplex: tốc độ là 320 km/h (200 mph) ( Pháp) 4. Eurostar e320: tốc độ là 320 km/h (200 mph) ( Pháp) 5.

E5 Series Shinkansen, E6 Series Shinkansen, H5 Series Shinkansen: tốc độ là 320 km/h (200 mph) (Nhật Bản) 6. ICE 3 Class 403, 406, 407: tốc độ là 320 km/h (200 mph) (Đức) 7. AVE Class 103: tốc độ là 310 km/h (190 mph) ( Tây Ban Nha) 8. KTX-I, KTX-II, KTX-III: tốc độ là 305 km/h (190 mph) (Hàn Quốc) 9.

ETR 500, ETR 1000: tốc độ là 300 km/h (190 mph) (Ý) Trong khi đó ở nước ta, dự án đường sắt tốc độ cao Hà Nội - TP Hồ Chí Minh là một trong những dự án chiến lược của Đường sắt Việt Nam (ĐSVN). Đến năm 2020 nước ta sẽ nghiên cứu phương án xây dựng mới tuyến đường sắt tốc độ cao, đường đôi khổ 1.435mm, điện khí hóa trên trục Bắc-Nam. Tiếp theo Chính phủ sẽ ưu tiên xây dựng trước những đoạn tuyến có nhu cầu vận tải lớn, nhất là khu vực kết nối với Hà Nội và TP.HCM như các đoạn Hà Nội - Vinh, TP.HCM - Nha Trang. Đến những năm 2020-2030, sẽ triển khai xây dựng mới tuyến đường sắt tốc độ cao, trước mắt khai thác tốc độ chạy tàu từ 160km/h đến dưới 200km/h, đường đôi khổ 1.435mm, điện khí hóa, hạ tầng tuyến có thể đáp ứng khai thác tốc độ 350km/h trong tương lai.

Cụ thể tới năm 2050, phấn đấu hoàn thành toàn tuyến đường sắt đôi tốc độ cao khổ 1.435mm trên trục Bắc-Nam; sau năm 2050 triển khai tổ chức khai thác tốc độ 350km/h [10]. Đường sắt cao tốc đã khắc phục được nhược điểm của đường sắt thông thường là tốc độ tương đối thấp, có được ưu thế rõ rệt so với vận tải ô tô trên đường bộ cao tốc. - Tốc độ nhanh Tốc độ khai thác trung bình của đường sắt cao tốc vượt ô tô con một lần trở lên. - An toàn và thoải mái 7 An toàn và thoải mái là điều được quan tâm nhất trong việc đi lại của con người.

Đường sắt cao tốc từ khi bắt đầu khai thác đến nay, Nhật hơn 30 năm, Pháp hơn 10 năm, chưa hề xảy ra trở ngại đổ tàu và làm hành khách thiệt mạng. "Độ an toàn và độ tin cậy của đường sắt cao tốc là cao nhất". Ngoài ra, không gian hoạt động của hành khách tàu cao tốc lớn hơn nhiều so với ôtô và máy bay, bên cạnh đó tàu chạy ổn định, chấn động và lắc lư tương đối ít, đồng thời có thể nằm xuống nghỉ ngơi, do đó hành khách đi đường dài càng thấy thoải mái. Bên cạnh đó so với việc di chuyển bằng máy bay thì hành khách đi tàu tốc độ cao tiện hơn do giảm bớt được các thủ tục kiểm tra, gửi hành lý, chờ đợi trước và sau chuyến bay.

Hơn nữa hành khách có thể sử dụng các dịch vụ viễn thông, internet trên tàu. - Thời gian chạy tàu chính xác Vận tải đường không và đường ôtô chịu ảnh hưởng thời tiết nên khó đúng giờ, có lúc còn có thể ngừng vận tải, đường bộ cao tốc cũng có khả năng tắc nghẽn, kéo dài làm trễ thời gian di chuyển. Còn đường sắt cao tốc thì chạy trong mọi thời tiết, tuyến đường là kiểu khép kín toàn bộ, đồng thời còn trang bị hệ thống tự động khống chế tốc độ đoàn tàu, điều khiển tàu tự động và điều độ chạy tàu tiên tiến, bảo đảm chắc chắn an toàn chạy tàu đúng giờ, so với phương thức giao thông vận tải khác thì đây là phương thức vận tải thời gian đúng giờ đáng tin cậy nhất. - Năng lực chuyên chở lớn Theo các thống kê, thì các đoàn tàu cao tốc mỗi đoàn bình quân chở được 800 người, năng lực chuyên chở một chiều bình quân mỗi năm đạt 50 ~ 70 triệu người, nếu dùng các đoàn tàu khách nối đôi hoặc toa khách 2 tầng thì có thể cao đến 110 ~ 140 triệu người; đường ôtô cao tốc 4 làn xe chuyên chở khách thì có năng lực chuyên chở một chiều bình quân mỗi năm là 88 triệu người, còn vận tải hàng không nếu dùng máy bay hành khách thì năng lực chuyên chở một chiều chỉ có thể đạt được 15 ~ 18 triệu người.

Có thể thấy, năng lực chuyên chở của đường sắt cao tốc lớn hơn chuyên chở đường không và nói chung cũng lớn hơn vận tải đường ôtô. - Tiêu hao năng lượng thấp Theo thống kê những năm gần đây của Nhật, nếu cho tiêu hao năng lượng cho mỗi người/km của đường sắt thông thường là 1,0 thì đường sắt cao tốc là 1,42 và xe hơi là 8,2, máy bay là 7,44. Ngoài ra khi hành khách chuyển sang đi đường sắt cao 8 tốc thì giảm được lượng phương tiện giao thông đường bộ cá nhân và công cộng dẫn đến giảm được tắc nghẽn giao thông tránh được việc tiêu hao nhiên liệu vô ích. - Chiếm ít đất sử dụng Bề rộng chiếm đất của đường ôtô cao tốc 4 làn xe là 26m, bề rộng chiếm đất của đường sắt đường đôi là 20m.

Nếu lấy chiếm đất cho một đơn vị năng lực vận tải để so sánh thì đường sắt cao tốc chỉ bằng 1/3 của đường ôtô cao tốc; vận tải đường không những sân bay cỡ lớn, chiếm đất chừng 20km2…tương đương với diện tích chiếm đất của 1000km đường sắt đường đôi, còn trong 1000km đường bay ít nhất cần 2~3 sân bay cỡ lớn, tổng số bằng khoảng 2~3 lần đường sắt. - Giá vé vừa phải Theo thông kê nước ngoài, giá vé đường sắt cao tốc hơi cao so với giá vé ôtô đường dài, thấp hơn giá vé máy bay, thường là 2/3 giá vé đường không. - Có lợi bảo vệ môi trường Trong vận tải hành khách, các loại phương tiện giao thông đều có lượng thoát ra thải tính đổi các chất có hại, đường ôtô bằng 8 lần đường sắt. Các chất khí phế thải của một máy bay phản lực thải ra là nguyên nhân chủ yếu tạo nên mưa axit trên diện tích rộng khiến sinh thái của thảm thực vật bị phá hoại và các vật kiến trúc bị ăn mòn, ảnh hưởng đối với môi trường sinh thái và sức khoẻ của nhân dân ngày một lớn.

Đường sắt cao tốc điện khí hoá về cơ bản đã loại trừ được ô nhiễm của bụi đất, khói dầu và các khí thải khác, tiếng ồn so với đường ôtô cao tốc thấp 5 ~ 10 dB. Để giảm bớt tiếng ồn, hai bên đường sắt cao tốc ở nước ngoài đã được xây dựng tường cách âm bằng các loại hình thức. - Giá xây dựng tổng hợp thấp nhất Theo các thống kê phân tích của nước ngoài, đã rút ra được là giá xây dựng đường sắt cao tốc tương đương với đường ôtô cao tốc và thấp rõ rệt so với đường không. Nếu lấy đầu tư tổng hợp cho mỗi đơn vị năng lực vận tải để so sánh thì đường sắt cao tốc là thấp nhất.

- Có hiệu suất và hiệu quả tương đối tốt 9 Sự tắc nghẽn giao thông và các trở ngại của đường ôtô cao tốc đã mang lại tổn thất rất to lớn cho nền kinh tế quốc dân, chi phí dùng để xử lý các trở ngại của đường ôtô chiếm chừng 2,5% tổng giá trị sản xuất quốc dân. Hiệu quả lợi ích kinh tế trực tiếp của xây dựng đường sắt cao tốc cũng rõ rệt. Tư liệu của Nhật và Pháp chứng tỏ: tỷ lệ thu lợi trực tiếp của đầu tư từ 12% trở lên, trong vòng 10 năm có thể thu lại được đầu tư. Vai trò của thông tin vô tuyến trong 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.