Và cũng tính toán như trên, chúng tôi cũng thu được công thức tính của các tín hiệu mong muốn nhận và nhiễu tại người dùng thứ n như sau:
PSig(n) = θ MR X i=1 MT X j=1 (eg(jin) ∗eh(ijn)) [L−1] 2 (5.9) PISI(n) = θ 2L−2 X l= 0 l6=L−1 MR X i=1 MT X j=1 (eg(jin) ∗eh(ijn)) [l] 2 (5.10) PIAI(n) =θ 2L−2 X l=0 MR X i=1 MT X j = 1 MR X i0= 1 i0 6=i MT X j0 = 1 j0 =j (egj(n0i)0∗eh(ijn)) [l] 2 (5.11) PIU I(n) =θ N X m= 1 m6=n 2L−2 X l=0 MR X i=1 MT X j = 1 MR X i0=1 MT X j0 = 1 j0 =j (egj(m0i0)∗eh(ijn)) [l] 2 (5.12) 5.2. Các kết quả mô phỏng
Trong mô phỏng này, công suất phát trung bình tổng cộng của các anten phát là
trên số người sử dụng N [7]
θ = P
N (5.13)
Theo [7] chúng tôi cũng định nghĩa tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR tác động đến hệ thống với nhiễu Gauss trắng trung bình bằng không và phương saiσ2, liên hệ theo công thức sau: SN R= P σ2E " L X l=1 h(ijn) 2# (5.14)
đối với mô hình MU-MIMO-UWB-TR thay hijbằng ehij. Thông số mô phỏng được cho dưới bản sau:
Bảng 5.2.4: Các thông số mô phỏng
Tham số mô phỏng Giá trị Môi trường văn phòng bị che chắn CM4
Độ dài các tap đáp ứng xung kênh môi trường L= 257
Tần số lấy mẫu của hệ thống fS = 3x109
Thời gian lấy mẫu của hệ thống TS = 1/fS
Độ trải trễ của kênh σT = 128TS
Số lượng người sử dụng N = [1,2,4,8]
Số anten phát MT = [2,4,7]
Số anten thu MR = [2,4,7]
5.2.1. Kết quả mô phỏng hệ thống MU-SISO-UWB-TR
Hệ thống UWB đảo ngược thời gian, đa người dùng, một anten phát và một anten thu với số lượng người sử dụng tăng lên thì chất lượng tín hiệu thu tại mỗi anten sẽ giảm xuống, điều này được chỉ rõ trong hình 5.1, trong cùng một điều kiện khảo sát, chúng tôi khảo sát với số người dùng lần lượt là 1, 2, 4, 8. SNR trong khoản -10dB đến 15dB thì SINR của hệ thống MU-SISO-UWB-TR tăng nhanh từ -10dB đến 0dB và tăng rất chậm khi SNR tăng từ 15dB đến 20 dB, đến điểm SNR tăng trên 20dB thì SINR hầu như không tăng nữa.
Hình 5.2.21: SINR trung bình của hệ thống MU-SISO-UWB-TR
Số lượng người tăng từ 1 lên 8 người thì tỉ số tí hiệu trên nhiễu SINR giảm nhanh, điều này đúng với lý thuyết đã đưa ra trước đó, lý do là nhiễu liên ký tự và nhiễu liên người dùng tăng lên khi tăng số người sử dụng. Xét SNR tại 20dB thì với N = 1, SINR đạt được 0 dB, N = 2 thì SINR khoảng -3dB, N = 4 thì SINR giảm xuống còn -6dB và N = 8 thì SINR chỉ còn lại -10dB.
Hình 5.2.22: Dung lượng kênh của hệ thống MU-SISO-UWB-TR
Dung lượng kênh hệ thống MU-SISO-UWB-TR cũng tăng tương ứng khi chúng tôi tăng SNR, và giảm tương ứng theo số lượng tăng người sử dụng. Ví dụ tại SNR bằng 20dB với N = 1 thì dung lượng kênh khoảng 0.95 bps, nhưng xét tại N = 8 thì dung lượng kênh giảm một cách rõ rệt, chỉ đạt được 0.15 bps.
5.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống MU-MISO-UWB-TR
Trong mô phỏng hệ thống MU-MISO-UWB-TR này, chúng tôi cũng chọn số người sử dụng lần lượt là 1, 2, 4, 8. Số anten thay đổi 2 lên 4 trong mỗi trường hợp của người sử dụng. Kết quả cho thấy rằng: số lượng người tăng lên làm ảnh hưởng tăng nhiễu, nên SINR tương ứng giảm theo. SINR của 8 người dùng với 4 anten phát chỉ đạt khoảng -6.5dB xét tại SNR = 20dB, trong khi đó tại 1 người sử dụng cũng với số lượng anten phát là 4 cùng một điều kiện SNR, thì SINR đạt đến 4dB.
Hình 5.2.23: SINR trung bình của hệ thống MU-MISO-UWB-TR
Chúng ta cũng có nhận xét thêm rằng, SINR trong hệ thống MU-MISO-UWB-TR với cùng số lượng người sử dụng khi SNR thấp hơn 5dB thì số anten tăng từ 2 lên 4 cũng không khác nhau nhiều, bằng chứng là các đường cùng màu là sát với nhau. Khi tăng SNR lớn hơn 5dB thì độ lợi khi hệ thống sử dụng 4 anten phát sẽ tăng thấy rõ so với hệ thống sử dụng 2 anten phát.
Hình 5.2.24: Dung lượng kênh của hệ thống MU-MISO-UWB-TR
Tương tự như SINR, mô phỏng cũng chỉ ra rằng: số người sử dụng tăng lên thì dung lượng kênh giảm xuống, nhưng xét trong cùng một người thì dung lượng kênh lại tăng lên theo số tăng anten phát và sự tăng chỉ tăng rõ rệt khi SNR cao hơn 5dB.
5.2.3. Kết quả mô phỏng hệ thống MU-MIMO-UWB-TR
Tôi giả sử kênh không tương quan, chúng tôi mô phỏng với số người sử dụng lần lượt là N = [1, 2, 4, 8], tương ứng với mỗi trường hợp chúng tôi xét 2 trường hợp số anten thu và phát lần lượt là: 4 anten thu - 2 anten phát và 4 anten thu - 4 anten phát.
Hình 5.2.25: SINR của kênh MIMO không tương quan
Xét N = 1 thì tỉ số SINR tăng tỉ lệ với số anten thu và anten phát, với 2 anten phát và 4 anten thu thì SINR khoảng 6.5 dB tại SNR = 20 dB, nhưng chúng ta tăng thêm 2 anten ở phía thu, giữ nguyên số anten phát (4 x 4) thì tỉ số SINR tăng vọt lên đến 12,5 dB. Điều này chứng tỏ lợi ích của việc sử dụng anten MIMO trong truyền thông.
Tăng số người dùng lên thì tỉ lệ SINR cũng tăng theo số anten thu và anten phát, nhưng do tăng số người dùng lên thì nhiễu liên người dùng (IUI) và nhiễu liên anten (IAI) cũng tăng theo, và tác động nhiễu này tăng mạnh hơn nên tỉ số SINR giảm mạnh theo sự tăng số người dùng. Như mô phỏng trên xét tại cùng số anten phát là 4 và số anten thu là 2 thì SINR chỉ đạt -3dB, thấp hơn rất nhiều trường hợp 1 người sử dụng.
Một điều rất thú vị, trường hợp số người sử dụng tăng lên thì bị tác động bởi nhiều tăng lên, chất lượng hệ thống sẽ giảm xuống, nhưng trong trường hợp này, chúng ta chỉ cần tăng thêm số anten thu lên 2 thì chất lượng hệ thống cũng cải thiện đáng kể. Trường hợp tại N = 1, MT = 2, MR = 4 và trường hợp N = 4,
MT = 4, MR = 4 thì tỉ số SINR gần xấp xỉ bằng nhau (khoảng 6dB tại SNR = 20dB). Tương tự tại N = 8, MT = 4, MR = 4 thì tỉ số SINR cao hơn nhiều so với trường hợp N = 4, MT = 2, MR = 4 , và gần xấp xỉ bằng với trường hợp N = 2,
MT = 2, MR = 4.
Hình 5.2.26: Dung lượng kênh MIMO không tương quan
Xét trường hợp kênh có tương quan, tôi xét mô phỏng với các hệ số tương quan thay đổi, để thấy được sự tác động tương quan kênh truyền tác động đến dung lượng của hệ thống như thế nào?
Cũng như trường hợp kênh không tương quan N = [1, 2, 4, 8] và số anten thay đổi trong cùng số người sử dụng cũng là (4 x 2) và (4 x 4).
Hình 5.2.27: SINR kênh MIMO tương quan phát = 0.3 và tương quan thu = 0.2
Qua mô phỏng trên, tôi có nhận xét như sau: tại một SNR như nhau, cùng số người sử dụng và số anten thu và phát giống nhau thì SINR và dung lượng kênh trong hệ thống MIMO có tương quan bị giảm nhiều so với hệ thống MIMO không có tương quan. Ví dụ: tại SNR = 20dB, có cùngMT = 2, MR = 4và hệ số tương quan phát = 0.3, tương quan thu = 0.2 thì dung lượng kênh chỉ khoảng 3.1bps/Hz, trong khi đó hệ thống kênh MIMO không tương quan dung năng kênh đạt đến 4.2 bps/Hz. Nhưng với sự tương quan phát và thu thấp thì SINR và dung lượng kênh giảm đều trên từng người sử dụng, giống như trong hệ thống không tương quan. Tức là xét tại cùng số lượng người sử dụng thì SINR và dung lượng kênh nếu chúng ta tăng số lượng anten phát và anten thu. Ví dụ, cùng N = 2 thì hệ thống anten 4 x 4 có dung năng là 2.2 bps/Hz, với hệ thống anten 4 x 2 thì dung lượng khoảng 1bps/Hz.
Tôi lại tiếp tục mô phỏng trường hợp cho anten thu không thay đổiMR= 2, anten phát chạy MT = [2, 4, 7], xét với hệ số tương phát chạy từ 0 đến 1 để xét sự ảnh hưởng sự thay đổi anten phát lên dung lượng hệ thống, kết quả mô phỏng như sau:
Hình 5.2.29: Ảnh hưởng tương quan phát lên dung lượng kênh hệ thống MU-UWB
Từ kết quả mô phỏng ở trên cùng số lượng antne thu, tăng số lượng anten phát thì dung lượng hệ thống tăng, nhưng tương quan phát càng lớn thì dung lượng hệ thống giảm càng nhanh.
khảo sát dung lượng hệ thống theo sự thay đổi tương quan thu và số anten thu thay đổi.
Hình 5.2.30: Ảnh hưởng tương quan thu lên dung lượng kênh hệ thống MU-UWB
Tôi nhận thấy rằng, tương quan thu ảnh hưởng lớn đến dung lượng hệ thống hơn là tương quan phát. Với tương quan thu nhỏ hơn 0.3 thì dung lượng hệ thống tỉ lệ thuận với sự tăng anten thu, nhưng khi tương quan thu tăng lớn hơn 0.3 thì dung lượng hệ thống giảm rất mạnh, hệ thống gồm nhiều anten thu thì dung lượng thấp hơn hệ thống ít anten thu.
Để có một cái nhìn tổng quát hơn trong vấn đề đánh giá dung lượng của 4 hệ thống MU-SISO-UWB-TR, MU-MISO-UWB-TR, MU-SIMO-UWB-TR và MU-MIMO- UWB-TR, tôi tiến hành mô phỏng trong cùng một hình vẽ và xét các trường hợp có tương quan và không tương quan.
Hình 5.2.31: So sánh dung lượng kênh không có sự tương quan
Chúng ta có một kết quả rất thú vị, xét không có sự tương quan phát và thu thì tăng số anten ở trạm phát là có lợi hơn tăng anten ở trạm thu. Như trên hình, tại SNR = 20dB, với hệ thống MISO (4 anten phát, 1 anten thu) thì dung lượng bằng 1.5bps, trong khi đó, hệ thống SIMO (1 anten phát, 4 anten thu), dung lượng chỉ đạt khoảng 0.65 bps. Nhưng nếu tăng đồng thời cả anten phát và anten thu, hệ thống MIMO (4 anten phát, 4 anten thu) thì dung lượng tăng lên rất ấn tượng, khoảng 3.2bps.
Xét trường hợp kênh có tương quan, tôi xét 2 trường hợp: kênh có tương quan thu lớn nhất bằng 0.95, tương quan phát bằng 0 và trường hợp thứ 2, kênh có tương quan thu bằng 0, và tương phát lớn nhất 0.95.
Hình 5.2.32: Dung lượng kênh với tương quan phát lớn nhất
Dung lượng của 4 hệ thống đều giảm, nhưng giảm mạnh nhất là hệ thống MU- MISO-UWB-TR. Dung lượng hệ thống MU-MISO-UWB-TR giảm xuống thấp hơn cả dung lượng hệ thống MU-SIMO-UWB-TR.
Với tương quan thu lớn nhất thì dung lượng của hệ thống MU-MIMO-UWB-TR giảm rất mạnh, từ 3.2 bps (không có tương quan thu và phát) giảm xuống 1.8 bps (chỉ có tương quan phát), và trong trường hợp này, dung lượng chỉ còn 0.4 bps, thấp hơn cả hệ thống MU-SISO-UWB-TR.
Thông qua các kết quả mô phỏng mà tôi tiến hành được, tôi có một số nhận xét tổng quát như sau:
• Cùng chỉ số người sử dụng N thì dung lượng kênh của hệ thống MU-MIMO- UWB-TR lớn hơn dung lượng kênh MU-MISO-UWB-TR, và dung lượng kênh MU-MISO-UWB-TR cao hơn dung lượng kênh của MU-SISO-UWB- TR. Điều này chỉ ra rằng, dung lượng kênh tăng theo số lượng anten phát và anten thu.
• Tương quan thu ảnh hưởng nhiều hơn tương quan phát
• Trong môi trường có sự tương quan thu cao thì tăng anten thu không được lợi gì về mặt dung lượng mà thậm chí còn bị giảm đáng kể.
• Hệ thống MU-SISO-UWB-TR không bị ảnh hưởng bởi sự tương quan thu và phát.
KẾT LUẬN
Trong luận văn này, tôi đã tìm hiểu được một số nội dung như sau:
• Tìm hiểu về công nghệ UWB, 5 ưu điểm chính của UWB và 3 thách thức mà UWB phải đối mặt, đồng thời chúng tôi cũng đưa ra so sánh UWB với các công nghệ được phát triển cho truyền dữ liệu khoảng cách ngắn, và một vài ứng dụng của UWB.
• Tìm hiểu về các kỹ thuật phân tập tần số, phân tập không gian, phân tập thời gian, phân tập phân cực, và kỹ thuật phân tập góc.
• Tìm hiểu kĩ thuật đảo ngược thời gian, mô phỏng kỹ thuật này để cho thấy khả năng tập trung công suất phát đúng vào vị trí người dùng mong muốn.
• Và tập trung vào xây dựng các mô hình toán học hệ thống UWB đa người dùng: MU-SISO-UWB-TR, MU-MISO-UWB-TR và MU-MIMO-UWB-TR, từ đó, tôi tính toán dung lượng kênh truyền và đưa ra các đánh giá liên quan đến các mô hình này.
Trong luận văn này, tôi không đi khảo sát đo các thông số của môi trường để đưa ra các đáp ứng xung của môi trường, mà tôi đã dùng kết quả đáp ứng xung kênh truyền hx của đồng nghiệp để triển khai trong bài mô phỏng của mình. Bên cạnh đó, tôi chỉ xây dựng mô hình và mô phỏng kết quả mô hình dựa trên phần mềm mô phỏng Matlab, tôi chưa có điều kiện để triển khai và đo đạt trên thực tế.
Trong quá trình làm mô phỏng, tôi đã có nhiều hướng phát triển cho luận văn này, và đây là một vài hướng phát triển mà nhóm tôi sẽ tiến hành trong thời gian tới:
• Tương ứng với công suất phát và môi trường khảo sát cụ thể, đưa ra được số anten phát thu tối ưu trong hệ thống.
• Giả sử vị trí của người dùng thay đổi, hoặc bộ phát thay đổi thì ảnh hưởng như thế nào đến dung năng kênh của hệ thống có sử dụng kỹ thuật đảo ngược thời gian.
• Khoảng cách truyền của UWB là ở khoảng cách ngắn, nếu muốn truyền đi xa thì cần thực hiện thiết kế thêm các bộ chuyển tiếp (Relay) để đảm bảo chuyển tiếp thông tin một cách thông suốt.
Tôi rất mong nhận được sự góp ý và hướng dẫn của quý thầy cô và bạn bè. Tôi xin chân thành cảm ơn.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• Ho Duc Tam Linh, Dang Xuan Vinh, “Studying Time Reversal Technique and Analysing the Capacity of Ultra Wideband Systems”,Journal of Science,
Hue University, October, 2013.
• Tran Ha Vu, Nguyen Thanh Hieu, Ho Duc Tam Linh, Nguyen Thuy Dung and Le Van Tuan, “Channel Capacity of Multi User TR-MIMO-UWB Com- munications System”, Computing, Management and Telecommunications,
Jan. 2013.
• Hồ Đức Tâm Linh, Nguyễn Văn Phú, Đặng Xuân Vinh, “Phân tích hệ thống băng siêu rộng đa người dùng (MU-UWB), Hội nghị khoa học trẻ, Trường
Đại học Huế, Đại học Huế, tháng 10 năm 2013.
• Nguyễn Văn Phú, Hồ Đức Tâm Linh, “Đánh giá hiệu năng hệ thống UWB sử dụng kỹ thuật đảo ngược thời gian và đa anten phát ở bộ phát”, Hội nghị
1. Arogyaswami Paulraj, Rohit Nabar and Dhananjay Gore (2003), “Introduction to Space-Time Wireless Communicaitons”, Cambridge University press. 2. Chenming Zhou, et al (2009), “Time-Reversed Ultra-wideband (UWB) Mul-
tiple Input Multiple Output (MIMO) Based on Measured Spatial Channels”,
IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 58, no. 6, pp. 2884 – 2898.
3. D.Cassioli, M.Win, and A.Molisch (2002), “The ultra-wide bandwidth indoor channel: From statistical model to simulations”, IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 20, no. 6, pp. 1247–1257.