Tìm hiểu kỹ thuật đảo ngược thời gian và phân tích dung lượng kênh trong hệ thống MIMO-UWB

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

TẬP 1, SỐ 1 (2014)

TÌM HIỂU KỸ THUẬT ðẢO NGƯỢC THỜI GIAN VÀ PHÂN TÍCH
DUNG LƯỢNG KÊNH TRONG HỆ THỐNG MIMO-UWB
Hồ ðức Tâm Linh*, Nguyễn Văn Phú, ðặng Xuân Vinh
Khoa ðiện tử - Viễn thông, Trường ðại học Khoa học Huế
* Email:
TÓM TẮT
Dung lượng kênh truyền trong hệ thống Băng siêu rộng (UWB) tăng ñáng kể khi kết hợp
kỹ thuật ñảo ngược thời gian (Time Reversal - TR) với kỹ thuật ña anten vào ra (MultiInput Multi-Output – MIMO). Tuy nhiên, trong thực tế khi sử dụng nhiều antentại bộ phát
và bộ thu, luôn tồn tại sự tương quan không gian giữa chúng, làm cho dung lượng kênh
truyền giảm xuống.Trong bài báo này, dung lượng kênh truyền của hệ thống MU - MIMO
- TR - UWBñược phân tích và ñánh giá cả hai trường hợp có tác ñộng và không có tác
ñộng của hệ số tương quan. Ngoài ra, sự thay ñổi số lượng anten ñầu vào và ñầu ra cũng
tác ñộng lớn ñến dung lượng của hệ thống UWB. ðặc biệt, bài báo ñã chỉ ra ñược sự tác
ñộng mạnh củatương quan thu so với tương quan phát, ñồng thời chúng tôi cũng ñã phân
tích và ñánh giá ñược ñiểm mạnh và ñiểm yếu của hệ thống MIMO khi số người sử dụng
tăng lên.
Từ khóa: UWB, TR, MIMO, MIMO-UWB, TR-UWB, MU-MIMO-UWB-TR

1. GIỚI THIỆU
Công nghệ truyền thông Wifiñang phát triển rất mạnh trong mạng thông tin
khoảng cách ngắn. Tuy nhiên với tốc ñộ hiện tại, ñể ñáp ứng nhu cầu cho sự gia tăng
các dịch vụ ñòi hỏi tốc ñộ cao và dung lượng lớn thì không thể ñáp ứng ñược. Băng siêu
rộng (Ultra Wideband – UWB)ra ñời nhằmgiải quyết một cách hoàn hảo các vấn ñề hạn
chế băng thông trong môi trường truyền thông không dây [1 - 3]. Tuy nhiên, các kênh
truyền trong thực tế ñều là các kênh fading, vì thế các vấn ñề gây ảnh hưởng ñến chất
lượng truyền dẫn trong hệ thống UWB phục vụ ña người dùng thực sự phức tạp [4 - 6].
Một giải pháp có thể khắc phục vấn ñề này là sử dụng kết hợp kỹ thuật ñảo ngược thời

gian (Time Riversal - TR) với kỹ thuật ña anten phát và ña anten thu (Multi-Input
Multi-Output - MIMO) trong hệ thống băng siêu rộng ña người dùng (MU – UWB). Sự
kết hợp này nhằm cải thiện tốc ñộ truyền dẫn và giảm thiểu các yếu tố ảnh hưởng ñến
việc làm giảm chất lượng của hệ thống MU-UWB [7 - 9].
Phân tích dung lượng hệ thống MU-UWB là một trong những hướng nghiên cứu
nổi bật trong truyền thông trên thế giới. Tuy nhiên, hiện nay chưa có tài liệu nào ñưa ra
phân tíchdung lượng kênh truyền hệ thống MU-UWB trong cả 4 trường hợp SISO (một
anten ñầu vào – một anten ñầu ra), SIMO (một anten ñầu vào – ña anten ñầu ra), MISO
(ña anten ñầu vào – một anten ñầu ra) và MIMO (ña anten ñầu vào – ña anten ñầu ra).
Bài báo này ñưa ra mô hình toán học và thực hiện mô phỏng ñể ñánh giá dung lượng
1


TẠP CHÍ KHOA HỌC
C VÀ CÔNG NGHỆ,
NGH TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

TẬ
ẬP 1, SỐ 1 (2014)

kênh truyền MU-UWB
UWB trong trường
tr
hợp tổng quát nhất là MIMO. Từ ñó
ñ rút ra sự ñánh
giá và so sánh với 3 trường
ng hợp
h còn lại. Kết quả này có thể ñịnh hướng
ng cho các nhà sản
s

xuất tham khảo nhằmtối ưu hóa trong việc
vi chế tạo thiết bị thu phát tín hiệu
hi UWB.

2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG [11], [12]
Mô hình hệ thống
ng UWB ña người dùng kết hợp kỹ thuật ñảoo ngược
ngư thời gian với
kỹ thuật MIMO ñược cho ở hình 1.

Hình 1.
1 Mô hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR

ðáp ứng
ng xung kênh truyền
truy giữa anten phát thứ j và anten nhậnn thứ
th i của người
dùng thứ nñược biểu diễnn như
nh sau:
L −1

hij ( n ) = ∑ α ij,( nl)δ (t − τ ij,l )

(1)

l =0

Trong ñó, αij,( nl) , δ (t − τ ij,l ) , i = 1, 2, … , M R , j = 1, 2, … , M T , n = 1, … , N lần
lượt là biên ñộ, ñộ trễ củaa tap thứ
th l,số anten phát và số anten thu củaa một

m người dùng.
Dạng rời rạc trong miền thờ
ời gian ñược viết lại như sau:
hij ( n ) =  hij ( n ) [0], hij ( n ) [1],L , hij ( n ) [ L − 1]
(2)
Mỗi ñáp ứng
ng xung này mang một
m năng lượng:
2
E  hij ( n ) [l ]  = e



Như vậy, với MTanten ở bộ phát
có ñáp ứng xung như sau:
 h11( n )
 (n)
 h21
(n)
Η =
 M
 hM( n ) 1
 R

−

lTs

σT

, 0 ≤ l ≤ L −1

(3)

và MR anten ở bộ thu của ngư
ười dùng thứ n sẽ
h12( n )
( n)
h22

M
(n)
MR 2

h

2

h1(Mn )T 

L h2( nM)T 

L
M 
L hM( nR)M T 
L

(4)

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

TẬP 1, SỐ 1 (2014)

Giữa anten thu thứ i và phát thứ j có L tap. Vì vậy kích thước ma trận ñáp ứng
xung kênh truyền của người dùng thứ n sẽ là MR x (MT x L).
Do ñó, trong môi trường khảo sát có N người dùng thì ñáp ứng xung của kênh
tương ứng ñược biểu diễn là H:
 H (1) 
 (2) 
H 
H =
M



(N )
 H 

(5)

Ma trận H có kích thước (N x MR)x (MT x L).
Khi trạm phát nhận ñược các xung thông tin CIRs từ các người dùng, khối ñảo
ngược thời gian (Time-Reversal Mirror - TRM) sẽ sử dụng các thông tin CIRs ñể tạo ra
các dạng sóng ñể truyền thông với anten của người dùng tương ứng. ðặt G là ma trận
tổng quát của TRM, nó có dạng như sau:
(6)
G = G (1) , G (2) , … , G ( N ) 
Ma trận G có kích thước (MT x L)x (MR x N).
Với mỗi G(n) ñược khai triển có dạng:

 ( g11( n ) )T ( g12( n ) )T
 (n) T
( n) T
( g 22
)
 ( g 21 )
( n)
G =
M
 M
(n) T
( n) T
( g M 1 ) ( g M 2 )
 T
T

( g1(Mn )R )T 

L ( g 2( nM) R )T 

L
M

L ( g M( nT) M R )T 
L

(7)

G(n) nó có kích thước (MT x L) x MR.
Trong ñó:

L −1
2

g (jin ) = hij( n )* [ L − 1 − l ] / E  M T ∑ hij( n ) [ k ] 
k =0



g (jin ) là ñảo ngược thời gian và chuyển vị không gian của hij( n ) ,
liên hợp phức[11], [12].

(8)
∗

( )

biểu thị giá trị

Trên thực tế,do luôn có sự tương quan giữa các anten phát, anten thu cũng như
giữa các người dùng bên nhận nên ñáp ứng xung kênh truyền H không thể hiện ñúng
tính chất của môi trường. Vì vậy, ñể ñánh giá ñúng môi trường,chúng tôi áp dụng mô
hình toán học nổi tiếng mô hình Kronecker:
1/2
(9)

H Kron =  R 1/2
Rx Η R Tx 
Trong ñó: RRx và RTx lần lượt là ma trận tương quan giữa anten thu của N người
dùng với ma trận tương quan phát, dạng của chúng ñược biểu diễn như sau:

3


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ
(1)
 RRx

0
RRx = 
 M

 0

0 

0 
O
M 

(N ) 
… RRx 

0 …
( 2)
RRx
…
M
0

 1


 ρTx
RTx =  ρTx2

 M
 ρ MT -1
 Tx

(10)

ρTx2
ρTx

ρTx
1

ρTx

1
M

M

ρTxM

T

-2

ρTxM

T

-3

TẬP 1, SỐ 1 (2014)
… ρTxMT -1 

… ρTxMT -2 
M T -3 
… ρTx

N
M 
…
1 

(11)

và
(n)
RRx

(n)

1
ρ Rx

(n)
ρ Rx

1
=

M
M
 ( n ) M r −1
( n) M r −2
( ρ Rx )
 ( ρ Rx )

(n) 2
( ρ Rx
)
(n)
ρ Rx

M
( n ) M r −3
( ρ Rx )

( n ) M r −1

K ( ρ Rx
)
( n ) M r −2 
K ( ρ Rx )


O
M


K
1


(12)

(n)
RRx
là ma trận hệ số tương quan giữaMR anten thu trong người dùng thứ n, kích
thước (MR x MR).
(n)
theo thứ tự là hệ số tương quan phát giữa các anten ñặt gần nhau phía
ρTx và ρ Rx
phát và hệ số tương quan của các anten ñặt gần nhau trong cùng một người nhận thứ n.

Có thể biểu diễn kênh tương quan của người dùng thứ n, L tap dưới dạng:

Η

(n)
Kron

(n)
 h%11

 h% (21n )
=
 M
 % (n)

 h M R 1

(n)
h%12
(n)
h% 22

M
(n )
h% M R 2

(n)
h%1M T 

(n)
L h% 2 M T 

L
M 

(n)
L h% M R M T 

L

(13)

(n)
Kích thước ma trận: MR x (MT x L), với h% ij là dạng rời rạc kích thước (1 x L):
(n)

(n)
(n)
(n)
(14)
h% ij =  h% ij [0], h% ij [1],L, h% ij [ L − 1]



Biến ñổi tương tự, ta có ma trận ñáp ứng xung của toàn bộ kênh truyền khi ñã
xét tương quan:
(1)
 H Kron

 (2) 
H
(15)
H Kron =  Kron 
M


(N )
 H Kron

Kích thước ma trận: (N x MR) x (MT x L)
Tương tự, ma trận tổng quát từ bộ TRM GKron:
(1)
(2)
(N)

GKron = GKron

, GKron
, L , GKron

(16)

v ới

(n)
GKron

 ( g ( n ) )T
 11
 ( g ( n ) )T
=  21
 M
 (n)
( g M 1 )T
T


(n)

( g 12 )T
(n)

( g 22 )T
M
(n)

( g M T 2 )T

4

( n)
( g 1M R )T 

(n)
L ( g 2 M R )T 


L
M

(n)
L ( g M T M R )T 

L

(17)


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

TẬP 1, SỐ 1 (2014)

và
L −1
2
(n)
( n )*

(n)


g ji [l ] = h% ij [ L − 1 − l ] / E  M T ∑ h% ij [ k ] 
k =0



(18)

Giả sử rằng tín hiệu ñầu vào có dạng X =  X (1) , X (2) , L , X ( N )  , các giá trị
này là các biến ngẫu nhiên ñộc lập, trung bình bằng không, và phương sai bằng giá trị θ
, thì tín hiệu ñầu ra của hệ thống ñược cho bởi công thức:
(19)
Y = (G ∗ X ) ∗ H + n%
Kron

Kron

Theo tính chất của tích chập, có thể viết lại như sau: Y = (GKron ∗ H Kron ) ∗ X + n% ,
(1)
(2)
(N )
với n% =  n% , n% , L , n%  là nhiễu Gauss trắng có trung bình bằng không, phương


sai σ 2 . Vì vậy, tín hiệu nhận ñược tại người dùng thứ n ( 1 ≤ n ≤ N ) và L tap có thể viết
lại như sau:
N

M R MT 2 L−2

)

(

(n)
( m)
Y ( n ) [ k ] = an ∑∑∑ ∑ h% ij ∗ g ji [l ] X ( m ) [ k − l ] + n% [ k ]
m =1 i =1 j =1 l = 0

(20)

Tín hiệu nhận Y ( n ) [ k ] có thể biểu diễn là tổng của các thành phần khác nhau:
thành phần tín hiệu mong muốn (Signal), nhiễu liên ký tự (ISI), nhiễu liên người dùng
(IUI) và nhiễu liên anten (IAI) và tạp nhiễu từ môi trường bên ngoài:

Y

(n)

M R MT

)[ L −1] X
+ a ∑ ∑∑ ( h% ∗ g
) [l ] X

[ k ] = an ∑∑ ( h% ij

(n)

∗ g ji

(n)

(n)

[ k − L + 1]

(n)

[k − l ]

( Signal )

i =1 j =1

2 L −2 M R MT

(n)

(n)

ij

n

ji

(ISI )

l =0
i =1 j =1
l ≠ L −1

2 L −2 M R MT M R M T

)

(

(n)
(n)
+ an ∑ ∑∑∑ ∑ h% ij ∗ g j 'i ' [l ]X ( n ) [ k − l ]
l = 0 i =1 j =1 i '=1 j '=1
i ' ≠ i j '= j

N 2 L− 2 M R MT M R MT

+ an ∑

∑ ∑∑∑ ∑ ( h%

m =1 l = 0 i =1 j =1 i '=1 j '=1
m≠n
j '= j

+ an n%

(n)

(n)
ij

∗ g j 'i '

(m)

) [l ] X

(m)

[k − l ]

[k ]

( IAI )

(21)

( IUI )
(noise)

3. PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH
CỦA HỆ THỐNG MU-MIMO-UWB-TR
Dựa trên các thành phần tín hiệu ñã phân tích ñược ở trên, chúng tôi tính công
suất tương ứng của từng thành phần: công suất thành phần tín hiệu mong muốn tại một
người dùng PSig (Signal - Sig), công suất nhiễu liên ký tự trong cùng một người dùng
PISI (Inter-Symbol Interference - ISI), công suất nhiễu liên anten PIAI (Inter-Antenna
Interference - IAI), công suất nhiễu liên người dùng PIUI (Inter-User Interference - IUI)

và công suất nhiễu của môi trường bên ngoài σ 2 (Noise). Sau khi tính ñược công suất
của các thành phần này, chúng tôi tiếp tục tính dung lượng kênh truyền ñể ñánh giá mô
5


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

TẬP 1, SỐ 1 (2014)

hình hệ thống mà chúng tôi ñã xây dựng ñược ở trên. Công thức tính dung lượng kênh
truyền như sau:
(22)
C = B log 2 (1 + SINR)

ðể ñơn giản trong việc ñánh giá tỉ số tín hiệu trên nhiễu và liên nhiễu, chúng tôi
chuẩn hóa băng thông kênh truyền B=1 Hz, do ñó dung lượng kênh truyền tính ñược
trên công thức (22) cũng chính là hiệu quả băng thông của hệ thống.
SINR (signal-to-interference plus noise ratio) ñược sử dụng ñể ñánh giá chất
lượng của tín hiệu tại mỗi người dùng và ñược tính toán tại người dùng thứ ntrong hệ
thống ña người dùng như sau: [11], [12]
PSig ( n )
(n)
(23)
SINR =
(n)
PISI ( n ) + PIAI
+ PIUI ( n ) + σ 2
Công suất tín hiệu thu tại người dùng thứ nlà công suất tín hiệu mong muốn
nhận ñược tại tap L-1. Tại giá trị này tín hiệu thu ñược là cực ñại, và giá trị an không
ảnh hưởng ñến kết quả tính SINR. ðể ñơn giản, chúng tôi giả sử an = 1 trong toàn bộ quá

trình tính toán. Công suất tín hiệu ñược tính theo công thức:
PSig

M R MT

(n)

=θ

∑∑(

(n)
(n)
h% ij ∗ g ji

i =1 j =1

)[ L − 1]

2

(24)

Công suất của các thành phần tín hiệu nhiễu không mong muốn ñược tính như
sau:
2 L −2 M R MT

PISI

(n )

=θ

∑ ∑∑ ( h%

(n)
ij

∗ g ji

l =0
i =1 j =1
l ≠ L −1

(n)

) [l ]

2

(25)

2
2 L−2 M R MT M R MT

PIAI ( n ) = θ ∑
l =0

∑∑∑ ∑ ( h%

(n)
ij

∗ g j 'i '

i =1 j =1 i '=1 j '=1
i '≠ i j '= j

(n)

) [l ]

(26)

2
N 2 L−2 M R MT M R M T

PIUI ( n ) = θ ∑

∑ ∑∑∑ ∑ ( h%

m =1 l = 0
m≠n

i =1 j =1 i '=1 j '=1
j '= j

(n)
ij

∗ g j 'i '

(m)

) [l ]

(27)

4. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Trong mô phỏng này, công suất phát trung bình tổng cộng của các anten phát là
P. Do ñó công suất trung bình θ là tỉ số giữa công suất phát trung bình tổng cộng trên
số người dùng N
P
(28)
θ=
N

ðịnh nghĩa tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR tác ñộng ñến nhiễu Gauss trắng trung
bình bằng không và phương sai σ 2 , liên hệ theo công thức sau:
6


TẠP CHÍ KHOA HỌC
C VÀ CÔNG NGHỆ,
NGH TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

SNR =

TẬ
ẬP 1, SỐ 1 (2014)

 L % (n) 2 
E
∑ hij 
σ 2  l =1
P

(29)

Thông số mô phỏng ñượ
ñư c chọn như ở bảng 1:
Bảng 1. Các thông số mô phỏng

Tham số
s mô phỏng
Môi trường (văn phòng bị che chắn)
ðộ dài ñáp ứng xung môi trường
Tần số lấy mẫu hệ thống
Thời gian lấy mẫu hệ thống
ðộ trải trễ của kênh
Số lượng ngườ
ư i dùng
Số anten phát
Số anten thu

Giá trị
CM4
L = 257
Fs = 3.109
Ts = 1/Fs

σ T = 128Ts
N = [1, 2, 4, 8]
MT = [2, 4, 7]
MR = [2, 4, 7]

Kết quả mô phỏng nhận ñược khi thay ñổi 3 thống số N, MT, MRtrong trường
hợp không tương quan và có tương quan ñược thể hiện ở hình 2 và hình 3. Chúng tôi
tiến hành khảo sát số người dùng N = [1, 2, 4, 8], tương ứng với mỗi N, chúng tôi xét số
anten thay ñổi (4 x 2) và (4 x 4).

Hình 2. Kênh MU-MIMO-UWB
UWB-TR không
tương quan

Hình 3. Kênh MU-MIMO
MIMO-UWB-TR
có tương quan ( ρTx = 0.3 và ρ Rx = 0.2 )

Kết quả mô phỏng cho thấy: với cùng một tập giá trị của SNR, số người dùng,
số anten phát và thu thì dung lượng kênh trong hệ thống MIMO có tương quan bị giảm
nhiều so với hệ thống MIMO không có tương quan. Chẳng hạn: tại SNR = 20dB, MT=2,
MR=4, hệ số tương quan phát = 0.3, hệ số tương quan thu = 0.2 thìì dung lượng kênh chỉ
khoảng 3.1bps/Hz; trong khi ñó với hệ thống kênh MIMO không tương quan cùng tập
thông số thì dung lượng kênh ñạt ñến 4.2 bps/Hz. Với cùng số lượng người dùng N,
dung lượng kênh tăng khi tăng số lượng anten phát và anten thu. Chẳng hạn, khi N = 2
hệ thống anten (4 x 4)) có dung lượng là 2.2 bps/Hz, hệ thống anten (44 x 2)dung
2
lượng
chỉ khoảng 1bps/Hz.
7

TẠP CHÍ KHOA HỌC
C VÀ CÔNG NGHỆ,
NGH TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

TẬ
ẬP 1, SỐ 1 (2014)

Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của sự tương quan lên hệ thốngg trong 2 trường
hợp: số anten thu cố ñịnh,
h, anten phát thay ñổi (MR = 2, MT = [2, 4, 7]) và số anten phát
cố ñịnh, anten thu thay ñổi (MT = 2, MR = [2, 4, 7]) khi N = 2 ñược thể hiện tương ứng
ở hình 4 và hình 5.

Hình 4. Ảnh hưởng tương quan phát lên dung
lượng hệ thống MU-MIMO--UWB-TR (N=2)

Hình 5. Ảnh hưởng tương quan thu lên dung
lượng hệ thống MU-MIMO
MIMO-UWB-TR (N=2)

Kết quả mô phỏngở (hình 4) cho thấy: khi tăng số lượng anten phát thì dung
lượng hệ thống tăng.
Kết quả hình 5 cho thấy: tương quan thu ảnh hưởng lớn ñến dung lượng hệ
thống hơn so với tương quan phát. Với tương quan thu nhỏ hơn 0.3,, dung lượng hệ
thống tỉ lệ thuận với việc tăng anten thu, nhưng khi tương quan thu lớn hơn 0.3, dung
lượng hệ thống giảm rất mạnh. Hệ thống sử dụng nhiều anten thu có dung lượng thấp
hơn hệ thống ít anten thu do ảnh hưởng của tương quan.Trường hợp này không xảy ra
trong hệ thống ñã xét trên hình 4.

Kết quả mô phỏng của 4 hệ thống MU-SISO-UWB-TR, MU-MISO
MISO-UWB-TR,
MU-SIMO-UWB-TR và MU-MIMO-UWB-TR
MU
trong trường hợp không tương quan
ñược thể hiện ở hình 6.

Hình 6. Dung lượ
ư ng của 4 hệ thống khi không có tương quan (N=2).

Mô phỏng cho thấy: kết quả khi không có sự tương quan phát và thu, việc tăng
số anten ở trạm phát có lợi hơn tăng anten ở trạm thu. Tại SNR = 20dB, với hệ thống
8


TẠP CHÍ KHOA HỌC
C VÀ CÔNG NGHỆ,
NGH TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

TẬ
ẬP 1, SỐ 1 (2014)

MISO (4 anten phát, 1 anten thu) thì dung lượng bằng 1.5bps; trong khi ñó, hệ thống
SIMO (1 anten phát, 4 anten thu), dung lượng chỉ ñạt khoảng 0.65 bps. Nếu tăng ñồng
thời cả anten phát và anten thu, hệ thống MIMO
IMO (4 anten phát, 4 anten thu) dung lượng
tăng lên rất nhiều(khoảng 3.2bps).
3.2bps
Kết quả mô phỏng dung lượng của 4 hệ thống MU-SISO-UWB--TR, MU-MISOUWB-TR, MU-SIMO-UWB
UWB-TR và MU-MIMO-UWB-TR trong trường hợp có tương

quan ứng với kênh có tương quan thu bằng 0, tương phát lớn nhất 0.95 và kênh có
tương quan thu lớn nhất bằng 0.95, tương quan phát bằng 0 ñược thể hiện tương ứng ở
hình 7 và hình 8.

Hình 7. Dung lượng hệ thống với tương quan
phát lớn nhất

Hình 8. Dung lượng hệ thốngvới tương quan
thu lớn nhất

Kết quả mô phỏng cho thấy:
-

Với tương quan phát lớn nhất, dung lượng của 4 hệ thống ñều giảm, giảm mạnh
nhất là hệ thống MU-MISO-UWB-TR.
MU
Dung lượng hệ thống MU-MISO-UWBMU
TR giảm xuống thấp hơn cả dung lượng hệ thống MU-SIMO-UWB
UWB-TR.

-

Với tương quan thu lớn nhất, dung lượng của hệ thống MU-MIMO
MIMO-UWB-TR
giảm rất mạnh, từ1.8 bps (chỉ có tương quan phát)xuống 0.4 bps, thấp hơn cả hệ
thống MU-SISO-UWB
UWB-TR.
Từ kết quả mô phỏng trên,
trên chúng tôi ñưa ra một số nhận xét sau ñây:

-

Cùng chỉ số người sử dụng N thì dung lượng kênh của hệ thống MU-MIMOUWB-TR lớn hơn dung lượng kênh MU-MISO-UWB-TR,
TR, và dung lượng kênh
MU-MISO-UWB-TR
TR cao hơn dung lượng kênh của MU-SISO--UWB-TR. ðiều
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, việc tăng anten thu không ñược lợi
gì về mặt dung lượng mà thậm chí còn bị giảm ñáng kể.

-

Hệ thống MU-SISO
SISO-UWB-TR không bị ảnh hưởng bởi sự tương quan thu và
phát.
9


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

TẬP 1, SỐ 1 (2014)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. M.Di Benedetto, T.Kaiser, D.Porcino, A.Molisch, and I.Opperman (2006).UWB
Communication Systems A Comprehensive Overview. Hindawi Publising.
[2]. M.Win and R.Scholtz (1998). Impulse radio: How it works.IEEE Commun.Lett.,
vol. 2, no. 2, pp. 36–38.
[3]. R.Fontana (2004). Recent system applications of short-pulse ultra-wideband
(UWB) technology.IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 52, no. 9, pp. 2087–
2104.
[4]. R.M.Cramer, R.Scholtz, and M.Win (2002). Evaluation of an ultra-wideband
propagation channel.IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 50, no. 5, pp. 561–570.
[5]. 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.
[6]. F.Zheng and T.Kaiser (2004). On the evaluation of channel capacity of multi
antenna UWB indoor wireless systems.In Proc. IEEE 8th Int. Symp. Spread
Spectr. Tech. Appl, pp. 525–529.
[7]. Chenming Zhou, et al (2009). Time-Reversed Ultra-wideband (UWB) Multiple
Input Multiple Output (MIMO) Based on Measured Spatial Channels.IEEE
Transactions on Vehicular Technology, vol. 58, no. 6, pp. 2884 – 2898.
[8]. Robert C.Qiu (2006). A Theory of Time-Reversed Impulse Multiple-Input
Multiple-Output (MIMO) for Ultra-Wideband (UWB) Communications.IEEE
2006 International Conference on Ultra-Wideband, pp. 587 – 592, 24-27.
[9]. Hung Tuan Nguyen, et al (2006). A Time Reversal Transmission Approach for
Multi user UWB Communications.IEEE Transactions On Antennas And
Propagation, vol. 54, no. 11, pp. 3216-3225.
[10]. Sergey Loyka and George Tsoulos (2002). Estimating MIMO System
Performance Using the Correlation Matrix Approach.IEEE Communications
Letters, vol. 6, no. 1, pp. 19-21.
[11]. Feng Han, Yu-Han Yang, Beibei Wang, Yongle Wu, Liu, K.J.R (2012). TimeReversal Division Multiple Access over Multi-Path Channels.IEEE,
Transactions on Communications.
[12]. Tran Ha Vu, Nguyen Thanh Hieu, Ho Duc Tam Linh, Nguyen Thuy Dung and

Le van Tuan (2013). Channel Capacity of Multi User TR-MIMO-UWB
Communications System.Computing, Management and Telecommunications.

10


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, TRƯỜNG ðH KHOA HỌC HUẾ

TẬP 1, SỐ 1 (2014)

STUDYING TIME REVERSAL TECHNIQUE AND ANALYSING
THE CAPACITY OF MIMO-UWB SYSTEM
HoDuc Tam Linh*, Nguyen Van Phu, Dang Xuan Vinh
Department of Electronics – Telecommunications, Hue University of Sciences
* Email:
ABSTRACT
Channel capacity of Ultra-Wide Band system (UWB) has increased significantly when
combining both Time Reversal technique (TR) and multiple antennas (Multi-Input MultiOutput-MIMO). In fact, multiple antennas at the transmitter and receiver always exist
correlation to each other; therefore, channel capacity is reduced. In this paper, the
channel capacity of the system MU - MIMO - TR - UWB will be analyzed and evaluated
in both cases of having impact of the correlation coefficient or not. In addition, changing
the number of input and output antennas also causes a major impact on the capacity of
UWB system. In particular, the paper pointed out that there is a bigger impact of the
reciever correlation than the transmitter correlation. We also analyzed and evaluated the
strengths and weaknesses of MIMO systems as the number of users go up.

Keywords: UWB, TR, MIMO, MIMO-UWB, TR-UWB, MU-MIMO-UWB-TR

11