Nghiên cứu nâng cao tốc độ tính toán cho bài toán tối thiểu công suất phát trong mạng truyền dẫn vô tuyến đa ăng ten

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
-----------------------------------------

TRẦN ĐÌNH THÔNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TỐC ĐỘ TÍNH TOÁN CHO
BÀI TOÁN TỐI THIỂU CÔNG SUẤT PHÁT TRONG
MẠNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN ĐA ĂNG-TEN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
----------------------------------------TRẦN ĐÌNH THÔNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TỐC ĐỘ TÍNH TOÁN

CHO BÀI TOÁN TỐI THIỂU CÔNG SUẤT PHÁT
TRONG MẠNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN ĐA ĂNG-TEN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 9520203
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS Dư Đình Viên
2. TS Lê Thanh Hải
Hà Nội – 2020


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy
đủ.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2020

Tác giả luận án

Trần Đình Thông


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin cảm ơn chân thành tới hai thầy hướng dẫn khoa
học: TS Dư Đình Viên và TS Lê Thanh Hải đã trực tiếp giảng dạy, hướng

dẫn, tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công
nghệ Quân sự Bộ Quốc phòng, Phòng Đào tạo và Viện Điện tử đã tạo điều
kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ và đạt kết quả mong muốn.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Điện tử Trường Đại
học Công nghiệp Hà Nội nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện để tôi hoàn
thành nhiệm vụ.
Xin cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học và các bạn đồng
nghiệp đã trực tiếp đóng góp nhiều ý kiến quý báu, giúp tôi vượt qua khó
khăn để hoàn thành luận án.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn tới mọi thành viên trong gia đình,
những người đã tạo mọi điều kiện về thời gian, vật chất và hết lòng chăm
sóc, động viên về tinh thần để tôi tập trung nghiên cứu hoàn thành luận án.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2020

Tác giả luận án

Trần Đình Thông


iii

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..................................... vi

DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................................. xi

MỞ ĐẦU.............................................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. BÀI TOÁN TỐI THIỂU CÔNG SUẤT PHÁT TRONG
MẠNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN ĐA ĂNG-TEN........................................... 7
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu............................................................................... 7
1.2. Vấn đề còn tồn tại và định hướng nghiên cứu.............................................. 16
1.3. Cơ sở toán học..................................................................................................................... 17
1.3.1. Hàm lồi.............................................................................................................................. 17
1.3.2. Tối ưu hàm phạt........................................................................................................... 18
1.4. Xây dựng bài toán tối thiểu công suất phát đối với các mô hình
phân tập............................................................................................................................................. 19
1.4.1. Mô hình phân tập không gian MIMO............................................................. 19
1.4.2. Mô hình phân tập ăng-ten thu.............................................................................. 20
1.4.3. Mô hình phân tập ăng-ten phát........................................................................... 22
1.5. Một số bài toán tối thiểu công suất phát trong mạng truyền dẫn vô
tuyến..................................................................................................................................................... 22
1.4.1. Mô hình truyền dẫn trạm gốc phát quảng bá phân tập ăng-ten phát
22
1.4.2. Mô hình truyền dẫn có chuyển tiếp với phương thức xử lý AF......25
1.6. Một số kỹ thuật tối ưu.................................................................................................... 29
1.5.1. Kỹ thuật tối ưu SDP................................................................................................... 30
1.5.2. Kỹ thuật tối ưu SDR.................................................................................................. 31


iv

1.5.3. Kỹ thuật tối ưu Nonsmooth kết hợp với hàm phạt.................................. 32
1.7. Độ phức tạp tính toán của bài toán tối ưu....................................................... 33
1.8. Kết luận chương 1............................................................................................................. 34
CHƯƠNG 2. NÂNG CAO TỐC ĐỘ TÍNH TOÁN CHO BÀI TOÁN
TỐI THIỂU TỔNG CÔNG SUẤT PHÁT TRẠM GỐC................................36

2.1. Bài toán tối thiểu công suất phát trạm gốc..................................................... 36
2.2. Thiết lập bài toán tối ưu công suất phát trạm gốc.................................... 39
2. 3. Phát triển kỹ thuật tối ưu Nonsmooth kết hợp với hàm phạt.........42
2.4. Xây dựng thuật toán mô phỏng.............................................................................. 47
2.4.1. Xây dựng thuật toán tối ưu SDR........................................................................ 47
2.4.2. Xây dựng thuật toán tối ưu ngẫu nhiên.......................................................... 49
2.4.3. Xây dựng thuật toán tối ưu NSM1.................................................................... 49
2.4.4. Xây dựng thuật toán tối ưu NSM2.................................................................... 50
2.5. Phân tích kết quả mô phỏng...................................................................................... 57
2.6. Kết luận chương 2............................................................................................................. 65
CHƯƠNG 3. NÂNG CAO TỐC ĐỘ TÍNH TOÁN CHO BÀI TOÁN
TỐI THIỂU TỔNG CÔNG SUẤT PHÁT TRONG MẠNG TRUYỀN
DẪN CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN ĐA ĂNG-TEN............................................ 66
3.1. Bài toán tối thiểu công suất phát trong mạng chuyển tiếp vô tuyến
đa ăng-ten......................................................................................................................................... 66
3.2. Mô hình chuyển tiếp vô tuyến đa ăng-ten với giao thức xử lý AF 68
3.2.1. Phương thức khuếch đại và chuyển tiếp AF................................................ 68
3.2.2. Cơ sở toán học xây dựng bài toán tối thiểu tổng công suất phát ....69
3.2.3. Xây dựng bài toán tối thiểu cho mô hình chuyển tiếp đa ăng-ten . 71

3.2.4. Xây dựng bài toán tối ưu SDR............................................................................ 74
3.2.5. Xây dựng bài toán tối ưu Spectral..................................................................... 75
3.3. Đề xuất phát triển kỹ thuật tối ưu Spectral................................................... 79


v

3.4. Xây dựng thuật toán mô phỏng.............................................................................. 80
3.4.1. Xây dựng thuật toán tối ưu SDR........................................................................ 80
3.4.2. Xây dựng thuật toán tối ưu SPO1...................................................................... 83

3.4.3. Xây dựng thuật toán tối ưu SPO2...................................................................... 84
3.5. Phân tích kết quả mô phỏng...................................................................................... 86
3.6. Kết luận chương 3............................................................................................................. 93
KẾT LUẬN...................................................................................................................................... 95
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ...........98
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 100


vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tích vô hướng hai véc-tơ x và y
Chuyển vị ma trận X
Biến đổi Hermitian của ma trận X
Không gian véc-tơ số thực và số phức N chiều
Hệ số phạt
Phương sai nhiễu phía thu
Phương sai tín hiệu

x, y

X

T

X H
R N ,C N
µ
 2d
 s2

σ 2

λ

Phương sai nhiễu tại nút chuyển
tiếp Trị riêng lớn nhất

r

max
 i

abs(.)

Mức ngưỡng SINR tại người dùng thứ
i Công suất nhiễu trắng cộng Tích ma
trận Kronecker
Hạng của ma trận
Kỳ vọng
Chuẩn Frobenius của ma trận
Hệ số phạt khởi tạo ngẫu nhiên
Hệ số phạt của bước lặp thứ k
Hệ số phạt tối ưu
Nhiễu tại phía thu
Véc-tơ ngẫu nhiên không đối xứng phân phối Gau-xơ
Nhân tử lagrange
Nhân tử lagrange cực đại
Giá trị tuyệt đối

D

Ma trận chéo hóa

eye(.)

Ma trận đơn vị

G

Ma trận kênh hướng xuống(chuyển tiếp)

H

Ma trận kênh hướng xuống từ trạm gốc xuống đến người

σ i2
⊗
rank {}.

E {}.
.

k )

µ

0

η
ν

λ
λ0

0
(


vii

dùng phía thu
hi

Véc-tơ kênh truyền hướng lên giữa người dùng phát thứ i
với nút chuyển tiếp

HX

Ma trận kênh hướng lên(chuyển tiếp)

IN

Ma trận đồng nhất

INT

Nhiễu giao thoa

ITEk

Bước lặp trung bình của kỹ thuật NSM1

ITEk2

Bước lặp trung bình của kỹ thuật NSM2

itemu

Số bước lặp xác định hệ số phạt

itemu2

Số bước lặp xác định hệ số phạt tối ưu

itex

Số bước lặp xác định giá trị tối ưu của kỹ thuật NSM1

itex2

Số bước lặp xác định giá trị tối ưu của kỹ thuật NSM2

L

Ma trận kênh hướng xuống(trạm gốc)

lj

Véc-tơ kênh truyền hướng xuống giữa nút chuyển tiếp với
người dùng thu thứ j

M

Số người dùng phía phát hoặc phía thu

N

Số ăng-ten tại trạm gốc hoặc chuyển tiếp

n

Nhiễu trắng cộng Gau-xơ

nd

Nhiễu tại người dùng phía thu

nr

Nhiễu tại nút chuyển tiếp

Pkopt

Tổng công suất tối ưu theo kỹ thuật NSM1

Pkopt2

Tổng công suất tối ưu theo kỹ thuật NSM2

Pn

Công suất nhiễu

Pn(X)

Công suất riêng trên mỗi ăng-ten

Popt

Tổng công suất tối ưu trạm gốc theo kỹ thuật SDR

Poptsdr

Tổng công suất tối ưu chuyển tiếp theo kỹ thuật SDR


viii

Poptspo

Tổng công suất tối ưu theo kỹ thuật SPO

Ps

Công suất tín hiệu

PT

Tổng công suất tại trạm gốc, chuyển tiếp

PT(X)

Tổng công suất tại nút chuyển tiếp

Pw

Công suất khởi tạo của kỹ thuật ngẫu nhiên

Pwlopt

Tổng công suất tối ưu theo kỹ thuật ngẫu nhiên

R

Ma trận xử lý phía thu

R, C

Tập số thực và số phức

randn(.)

Hàm ngẫu nhiên

Rh

Ma trận tương quan kênh hướng lên

Rl

Ma trận tương quan kênh hướng xuống

sigd

Công suất nhiễu phía thu

sigr

Công suất nhiễu tại nút chuyển tiếp

sigs

Công suất tín hiệu

sqrt(.)

Căn bậc hai

trace(X)

Vết của ma trận X

U

Ma trận trực giao

vec(.)

Véc-tơ hóa ma trận

w

Véc-tơ trọng số tối ưu của kỹ thuật ngẫu nhiên

X(:,i)

Cột thứ i của ma trận X

X(i,j)

Phần tử thứ (i, j) của ma trận X

Xkopt2

Ma trận trọng số tối ưu của kỹ thuật NSM2

Xopt

Ma trận trọng số tối ưu

y

Tín hiệu tại người dùng phía thu

yrelay

Tín hiệu sau khi xử lý tại nút chuyển tiếp

yup

Tín hiệu thu tại nút chuyển tiếp

ix

AF

Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward)

AWGN

Tạp âm Gau-xơ trắng cộng (Additive White Gaussian Noise)

BER

Tỷ lệ lỗi bít (Bit Error Rate)

BF

Kỹ thuật tạo búp sóng (Beamforming)

BS

Trạm gốc (Base Station)

CSI

Thông tin trạng thái kênh (Chanel Status Information)

DF

Giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward)

GA

Thuật toán di truyền (Genetic algorithm)

LMI

Bất đẳng thức ma trận tuyến tính (Linear Matrix Inequality)

MIMO

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Multiple Input Multiple Output)

MISO

Nhiều đầu vào một đầu ra (Multiple Input Single Output)

ML

Bộ tổ hợp tỷ số tối đa (Maximum Likelihood)

MU-MIMO

MIMO đa người dùng (Multi-user MIMO)

NP-hard

Bài toán đa thức bất định

NSM1

Kỹ thuật tối ưu Nonsmooth kết hợp hàm phạt (Nonsmooth)

NSM2

Kỹ thuật tối ưu Nonsmooth kết hợp hàm phạt đề xuất

PF

Tiền mã hóa chuyển tiếp (Precode-Forward)

PSD

Ma trận bán xác định dương (Positive Semidefinite)

QCQP

Bài toán toàn phương điều kiện bậc hai (Quadratically
Constrained Quadratic Program)

RAND

Ngẫu nhiên (Random)

RS

Lựa chọn chuyển tiếp (Relay Selection)

SCA

Kỹ thuật xấp xỉ lồi (Successive Convex Approximation)

SDP

Kỹ thuật tối ưu bán bất định (Semidefinite Program)

SDR

Kỹ thuật tối ưu bán bất định giản lược (Semidefinite
Relaxation)


x

SIMO

Một đầu vào - Nhiều đầu ra (Single-Input Multiple –Output)

SINR

Tỷ số tín hiệu/nhiễu giao thoa (Signal to Interference Noise
Ratio)

SNR

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio)

SISO

Một đầu vào - Một đầu ra (Single-Input Single - Output)

SMSE

Tổng trung bình phương lỗi (Sum Mean Squared Error)

SOCP

Bài toán hình nón bậc hai (Second-OrderCone Programming

SPO1

Kỹ thuật tối ưu toàn dải Spectral (Spectral Optimization)

SPO2

Kỹ thuật tối ưu toàn dải Spectral đề xuất

SVD

Phân tích giá trị đơn nhất (Singular Value Decomposition)


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Các tham số mô phỏng 1............................................................................................ 57
Bảng 2.2: Số liệu so sánh tổng công suất phát với M = 16, N = 8.................................. 59
Bảng 2.3: Số liệu so sánh tổng công suất phát với M = 24, N = 8.................................. 59

Bảng 2.4: Các tham số mô phỏng 2............................................................................................ 61
Bảng 2.5: So sánh công suất phát giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2.................................. 62
Bảng 2.6: So sánh công suất phát giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2.................................. 62
Bảng 2.7: So sánh công suất phát giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2.................................. 62
Bảng 2.8: Tỷ lệ công suất PNMS2/PNMS1...................................................................................... 63
Bảng 2.9: So sánh số bước lặp trung bình giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2..................63
Bảng 2.10: So sánh số bước lặp trung bình giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2...............63
Bảng 2.11: So sánh số bước lặp trung bình giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2...............64
Bảng 2.12: Tỷ lệ số bước lặp trung bình ITENSM2/ITENSM1................................................ 64
Bảng 3.1: Các tham số mô phỏng……………….......……………............................... 86
Bảng 3.2: So sánh tổng công suất phát giữa kỹ thuật SDR, SPO1 và SPO2.............91
Bảng 3.3: So sánh thời gian tính toán trung bình giữa......................................................... 92
Bảng 3.4: So sánh số lượng bước lặp trung bình giữa kỹ thuật SPO1 và SPO2........92
Bảng 3.5: Tỷ lệ thời gian tính toán toán trung bình giữa kỹ thuật SPO1 và SPO2 .. 92

Bảng 3.6: Tỷ lệ số bước lặp trung bình giữa kỹ thuật SPO1 và SPO2..........................93


xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Mạng truyền dẫn vô tuyến Massive MIMO......................................8
Hình 1.2: Độ hội tụ phụ thuộc vào lựa chọn điểm khởi tạo và bước nhảy sau
một vòng lặp....................................................................................................10
Hình 1.3: Hệ thống hóa bài toán tối thiểu công suất phát...............................15
Hình 1.4: Tập lồi và không lồi........................................................................17
Hình 1.5: Tính chất hàm lồi............................................................................ 18
Hình 1.6: Mô hình phân tập không gian MIMO.............................................20
Hình 1.7: Mô hình phân tập ăng-ten thu.........................................................21

Hình 1.8: Mô hình phân tập ăng-ten phát....................................................... 22
Hình 1.9: Mô hình trạm gốc thứ cấp phát quảng bá đơn nhóm......................23
Hình 1.10: Mô hình trạm gốc thứ cấp phát quảng bá đa nhóm.......................25
Hình 1.11: Mô hình truyền dẫn nhiều nút chuyển tiếp đơn ăng-ten...............26
Hình 1.12: Mô hình truyền dẫn một nút chuyển tiếp đa ăng-ten....................27
Hình 1.13: Mô hình truyền dẫn nhiều nút chuyển tiếp đa ăng-ten..................29
Hình. 2.1: Truyền dẫn vô tuyến trạm gốc đa ăng-ten ……………………… 37
Hình 2.2: Mô hình truyền dẫn vô tuyến đa trạm gốc đa ăng-ten....................39
Hình 2.3: Lưu đồ thuật toán tối ưu SDR.........................................................48
Hình 2.4: Lưu đồ thuật toán tối ưu ngẫu nhiên...............................................52
Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán tối ưu NSM1: Giai đoạn khởi tạo......................53
Hình 2.6: Lưu đồ thuật toán NSM1: Giai đoạn tối ưu....................................54
Hình 2.7: Lưu đồ thuật toán tối ưu đề xuất NSM2: Giai đoạn khởi tạo.........55
Hình 2.8: Lưu đồ thuật toán tối ưu đề xuất NSM2: Giai đoạn tối ưu.............56
Hình 2.9: So sánh tổng công suất phát trong trường hợp M = 16, N = 8........59
Hình 2.10: So sánh tổng công suất phát trong trường hợp M = 24, N = 8......59
Hình 2.11: So sánh số bước lặp trung bình giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2
trong trường hợp M = 16, N = 8..................................................................... 60


xiii

Hình 2.12: So sánh số bước lặp trung bình giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2
trong trường hợp M = 24, N = 8..................................................................... 60
Hình 2.13: So sánh tổng công suất phát giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2........62
Hình 2.14: So sánh số bước lặp trung bình giữa kỹ thuật NSM1 và NSM2 .. 63

Hình 3.1: Phương thức xử lý khuếch đại chuyển tiếp……………………… 69
Hình 3.2: Mô hình kênh vô tuyến chuyển tiếp đa ăng-ten đơn người dùng. . .69
Hình 3.3: Mô hình chuyển tiếp vô tuyến MU-MIMO phương thức xử lý AF 72

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán tối ưu SDR............................................................................. 82
Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán tối ưu SPO1: Giai đoạn xác định µ........................... 87
Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán tối ưu SPO1: Giai đoạn tối ưu..................................... 88
Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán tối ưu SPO2: Giai đoạn xác định µ........................... 89
Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán tối ưu SPO2: Giai đoạn tối ưu..................................... 90
Hình 3.9: So sánh tổng công suất phát chuyển tiếp giữa kỹ thuật SDR, SPO1,
SPO2 khi (M, N) = (4, 5)............................................................................................................ 91
Hình 3.10: So sánh thời gian tính toán trung bình(s)................................................... 91
Hình 3.11: So sánh số bước lặp trung bình giữa kỹ thuật SPO1 và SPO2........92


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Sự phát triển đa dạng các dịch vụ truyền dẫn vô tuyến thế hệ mới
trong bối cảnh giới hạn về tài nguyên phổ tần là một trong những vấn đề
được quan tâm của cộng đồng các nhà khoa học trên thế giới. Nhiều công
bố khoa học đã tập trung nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng cho mạng
truyền dẫn vô tuyến. Có ba giải pháp cơ bản để nâng cao hiệu năng sử dụng
mạng vô tuyến: Tăng mật độ triển khai các điểm truy cập; bổ sung thêm
băng tần; cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần. Việc triển khai thêm các điểm
truy cập cũng như cấp phát dải tần mới kéo theo sự tốn kém về chi phí và
khó thực hiện triển khai hệ thống. Do đó, thực hiện tối đa hóa hiệu suất phổ
trên một băng tần cho trước là một giải pháp hiệu quả và khả thi.
Bài toán tối thiểu tổng công suất phát của các ăng-ten tại trạm gốc
hoặc nút chuyển tiếp là một trong những giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện
sử dụng phổ tần một cách hiệu quả. Trong đó, sử dụng các các véc-tơ hoặc
ma trận trọng số tạo búp (beamforming) của các ăng-ten phát tại trạm gốc

hoặc các trạm chuyển tiếp để xây dựng hàm mục tiêu nhằm tối thiểu tổng
công suất phát có các điều kiện ràng buộc tại phía thu. Các bài toán tối
thiểu tổng công suất phát với hàm mục tiêu không lồi phi tuyến thuộc lớp
bài toán NP-khó (NP-hard) có độ phức tạp tính toán cao và khó xác định
được giá trị tối ưu do có nhiều cực trị địa phương. Áp dụng và phát triển
các lý thuyết toán học để xác định giá trị tối ưu toàn cục và giảm độ phức
tạp của bài toán là một vấn đề nghiên cứu có tính cấp thiết trong khoa học
cũng như trong thực tiễn. Các nhóm nghiên cứu thường sử dụng kỹ thuật
hàm phạt chính xác kết hợp với các biến đổi toán học trong lý thuyết tối ưu
hàm lồi [3-5] để áp dụng cho các bài toán tối thiểu hàm mục tiêu không lồi


2

có điều kiện ràng buộc. Khi sử dụng kỹ thuật hàm phạt, việc lựa chọn tham
số phạt có sự ảnh hưởng lớn đến tốc độ hội tụ và độ chính xác của giá trị
tối ưu tìm được. Do vậy, sử dụng các lý thuyết tối ưu hiện đại đưa ra nhiều
hướng tiếp cận và giải quyết những hạn chế, để xây dựng các thuật toán
vừa giúp giảm thời gian tính toán đồng thời vẫn đưa ra được giá trị tối ưu.
Mục tiêu của luận án là đề xuất các giải pháp hiệu quả trên cơ sở xây dựng
hàm mục tiêu sử dụng hàm phạt chính xác kết hợp biến đổi toán học để xác
định được giá trị tối ưu (với sai số nhỏ trong giới hạn cho phép), đồng thời
cải thiện tốc độ hội tụ nhằm nâng cao tốc độ tính toán cho mô hình truyền
dẫn vô tuyến đa ăng-ten.
Kết quả thu được từ nghiên cứu về tối thiểu công suất phát cho mạng
truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten là cơ sở tham khảo để các nhà khoa học và
các nhà hoạch định chính sách xây dựng các giải pháp kỹ thuật có hiệu quả
cao khi thiết kế mạng truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten, đặc biệt là các mạng
di động thế hệ mới, mạng cảm biến. Chính vì vậy, đề tài "Nghiên cứu
nâng cao tốc độ tính toán cho bài toán tối thiểu công suất phát trong

mạng truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten" có ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực
tiễn và có tính cấp thiết.

2. Mục tiêu của luận án
Đề xuất các giải pháp nâng cao tốc độ tính toán cho bài toán tối thiểu
công suất phát trong mạng truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten trên cơ sở ứng
dụng các kỹ thuật tối ưu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu bài toán tối thiểu tổng công suất phát có hàm mục tiêu
không lồi với điều kiện ràng buộc SINR tại các người dùng phía thu đối với
mô hình truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten trạm gốc phát quảng bá đa điểm và
mô hình truyền dẫn vô tuyến chuyển tiếp đa ăng-ten.


3

Phạm vi luận án nghiên cứu bao gồm:
 Tín hiệu từ các nguồn phát xử lý ở cùng băng tần cơ sở.
 Tạp âm Gau-xơ trắng cộng.
 Mô hình truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten trạm gốc phát quảng bá đa
điểm không tính đến yếu tố nhiễu xuyên kênh.
 Mô hình truyền dẫn vô tuyến chuyển tiếp đa ăng-ten với phương thức
xử lý AF.
 Số lượng người dùng phía thu lớn hơn số ăng-ten tại trạm gốc và số
lượng người dùng thu, phát bé hơn số ăng-ten tại nút chuyển tiếp.
 Công suất tiêu thụ tại trạm gốc hoặc nút chuyển tiếp chỉ tính đến
công suất thực hiện xử lý tín hiệu từ các véc-tơ, ma trận trọng số tối
ưu để thực hiện tạo búp cho mỗi ăng-ten.
4. Nội dung nghiên cứu
Các nội dung nghiên cứu chính của luận án bao gồm:

 Nghiên cứu lý thuyết về mạng truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten, kỹ thuật
tạo búp sóng (beamforming), mô hình phân tập không gian MIMO và
các giao thức xử lý tín hiệu chuyển tiếp.
 Nghiên cứu về lý thuyết tối ưu hàm lồi và không lồi, các kỹ thuật tối ưu
điển hình bao gồm: kỹ thuật bán bất định SDP, kỹ thuật bán bất định
giản lược SDR, kỹ thuật không lồi Nonsmooth kết hợp hàm phạt, kỹ
thuật tìm kiếm ngẫu nhiên, kỹ thuật tối ưu toàn dải Spectral áp dụng cho
các bài toán tối thiểu công suất phát có hàm mục tiêu không lồi với các
điều kiện ràng buộc.
 Nghiên cứu một số mô hình truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten và xây dựng
hàm mục tiêu cho bài toán tối thiểu công suất phát với các điều kiện
ràng buộc SINR của người dùng ở phía thu.


4

5. Phương pháp nghiên cứu
Thực hiện nghiên cứu lý thuyết, khảo sát các kết quả nghiên cứu
trong và ngoài nước, xây dựng hàm mục tiêu và điều kiện ràng buộc cho
các mô hình, áp dụng các biến đổi toán học, tiến hành mô phỏng trên máy
tính, phân tích và đánh giá các kết quả số liệu. Lý thuyết toán học và công
cụ được sử dụng chính trong luận án: Lý thuyết hàm lồi, đại số tuyến tính
liên quan đến xử lý và phân tích ma trận, các kỹ thuật tối ưu, phần mềm mô
phỏng Matlab kết hợp với các công cụ hỗ trợ như Sedumi, Yalmip, SDPT3.
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
 Ý nghĩa khoa học
Luận án tập trung vào ứng dụng các kỹ thuật tối ưu hiện đại để giải
quyết các bài toán tối thiểu tổng công suất phát với điều kiện biên SNR,
SINR của các người dùng phía thu. Các đề xuất trong luận án giúp tìm ra
được giá trị tối ưu và đồng thời cải thiện được tốc độ hội tụ. Việc nghiên

cứu các giải pháp kết hợp giữa kỹ thuật xử lý không gian - thời gian cho
phép cải thiện được hiệu năng, giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu cũng như cải
tiến, khắc phục các nhược điểm. Đặc biệt, bài toán phân tích hiệu năng của
hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ mới thông qua việc đánh giá hiệu
suất sử dụng tài nguyên phổ tần và hiệu suất sử dụng năng lượng. Việc thực
hiện xử lý tín hiệu tối ưu trong miền không gian như chuyển tiếp đa ăngten, điều chế không gian, vô tuyến hợp tác đang được quan tâm nghiên cứu
ở những mức độ và quy mô khác nhau.
 Ý nghĩa thực tiễn
Với các kết quả thu được, luận án đóng góp ứng dụng và phát triển
một số kỹ thuật tối ưu trong vấn đề nâng cao hiệu năng cho mạng truyền
dẫn vô tuyến đa ăng-ten. Đặc biệt là các ứng dụng trong mạng cảm biến,


5

mạng thông tin di động thế hệ mới. Trong đó, có thể thấy tính khả thi và tốc
độ triển khai phụ thuộc rất nhiều vào mức độ phức tạp và tốc độ hội tụ của
thuật giải. Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo bổ ích trong
công tác nghiên cứu, giảng dạy và đào tạo chuyên ngành. Các kết quả của
luận án là những luận cứ khoa học để áp dụng trong các bài toán thiết kế và
quy hoạch mạng truyền dẫn vô tuyến thế hệ mới.
7. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận, danh mục các
công trình khoa học đã công bố của tác giả liên quan đến luận án và tài liệu
tham khảo.
Phần mở đầu: Đánh giá tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa thực tế, ý nghĩa
khoa học của đề tài. Trên cơ sở đó xác định phương pháp, nội dung nghiên
cứu của luận án.
Chương 1. Bài toán tối thiểu tổng công suất phát trong mạng truyền dẫn
vô tuyến đa ăng-ten: Chương 1 trình bày tổng quan về bài toán tối thiểu

công suất phát trong mạng truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten, mô hình phân
tập không gian và kỹ thuật tạo búp cho một số mô hình truyền dẫn vô
tuyến. Luận án cũng trình bày lý thuyết cơ bản của các kỹ thuật tối ưu: kỹ
thuật SDP, kỹ thuật SDR và kỹ thuật Nonsmooth kết hợp hàm phạt. Trên cơ
sở tổng hợp, đánh giá các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, các
vấn đề còn tồn tại, luận án đưa ra hướng tiếp cận để giải quyết các vấn đề
liên quan đến tối thiểu hóa công suất phát cho hai mô hình truyền dẫn vô
tuyến đa ăng-ten. Kết quả nghiên cứu trong chương 1 đã được công bố trên
một bài báo khoa học [3].
Chương 2. Nâng cao tốc độ tính toán cho bài toán tối thiểu tổng công
suất trạm gốc: Chương 2 nghiên cứu mô hình truyền dẫn vô tuyến trạm
gốc đa ăng-ten phát quảng bá đa điểm. Chương này thực hiện xây dựng


6

hàm mục tiêu và phát triển kỹ thuật Nonsmooth kết hợp hàm phạt thông
qua việc tối ưu tham số phạt µ thay vì lựa chọn ngẫu nhiên trong bước khởi
tạo của thuật toán mô phỏng. Dữ liệu kết quả đã xác định được giá trị tối
ưu đồng thời tăng tốc độ tính toán. Các đề xuất và kết quả nghiên cứu trong
chương 2 đã được công bố trên hai bài báo khoa học [5], [6].
Chương 3. Nâng cao tốc độ tính toán cho bài toán tối thiểu công suất
phát trong mạng truyền dẫn chuyển tiếp vô tuyến đa ăng-ten: Chương 3
khảo sát mô hình truyền dẫn vô tuyến chuyển tiếp đa ăng-ten với phương
thức xử lý AF. Luận án đã đề xuất thêm biến phụ tuyến tính vào trong điều
kiện ràng buộc SINR kết hợp với hàm mục tiêu theo phương pháp sử dụng
hàm phạt. Kỹ thuật tối ưu đề xuất đã xác định được tổng công suất tối thiểu
đồng thời giảm được số bước lặp trung bình và thời gian tính toán khi so
sánh với các đề xuất trước đây. Các đề xuất và kết quả nghiên cứu trong
chương 3 đã được công bố trong bốn bài báo khoa học [1], [2], [4], [7].

Phần kết luận: Phần kết luận khẳng định và nêu rõ những kết quả nghiên
cứu đã đạt được trong luận án; Chỉ ra những đóng góp khoa học mới của
luận án; Đề xuất hướng phát triển của đề tài luận án.


7

CHƯƠNG 1
BÀI TOÁN TỐI THIỂU CÔNG SUẤT PHÁT
TRONG MẠNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN ĐA ĂNG-TEN
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Các hệ thống truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten đang trở thành một
phần không thể tách rời đối với cuộc sống con người trước một kỷ nguyên
với nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến ứng dụng công nghệ tiên tiến. Nhiều
năm gần đây, nhiều nghiên cứu và các báo cáo khoa học tập trung xử lý các
giải pháp cải thiện tốc độ truyền thông tin trong điều kiện về tài nguyên tần
số. Việc ứng dụng kỹ thuật MIMO vào thông tin vô tuyến đã được triển
khai hiệu quả bắt đầu từ mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 [12]. Kỹ thuật
MIMO sử dụng kỹ thuật phân tập không gian, mã hoá nhằm tăng dung
lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất
phát hay băng thông. Các hệ thống vô tuyến MIMO sử dụng phương thức
truyền dẫn dữ liệu mới cho phép tăng nhanh dung lượng của kênh truyền
vô tuyến [6-11]. Tuy nhiên, để xây dựng được một hệ thống MIMO đạt
được hiệu quả cao nhất vẫn đang là vấn đề được đặt ra khi tốc độ truyền
dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng như là các kênh pha-đing lựa
chọn tần số, nhiễu liên ký tự (ISI) xuất hiện do độ trễ của kênh truyền [13],
sự gia tăng tốc độ lỗi bit (BER). Với sự phát triển của mạng vô tuyến và
các thiết bị đầu cuối, hệ thống mạng vô tuyến đang gặp những thách thức
về các vấn đề tốc độ truyền dữ liệu, vấn đề giảm nhiễu, vấn đề công suất.
Đặc biệt, đối với vấn đề tiết kiệm công suất tiêu thụ liên quan tới các giải

pháp tối thiểu công suất phát đối với các mô hình phân tập ăng-ten.
Bài toán tối thiếu công suất phát của mạng truyền dẫn vô tuyến dựa
trên kỹ thuật tạo búp (beamforming) nhằm cải thiện sử dụng hiệu quả phổ
tần [14-15]. Đây là một kỹ thuật được ứng dụng phổ biến đối với các mạng


8

truyền dẫn vô tuyến kết hợp với công nghệ ăng-ten thông minh. Với mục
tiêu giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng điểm truy cập trong khi vẫn duy trì
chất lượng dịch vụ (QoS) cho các thiết bị đầu cuối. Nhiều năm gần đây, hệ
thống mạng truyền dẫn vô tuyến MIMO cỡ lớn (Massive MIMO) thực hiện
sử dụng số lượng ăng-ten thu phát tại trạm gốc hoặc chuyển tiếp để tăng
cường dung lượng trao đổi thông tin [8]. Kỹ thuật MIMO cỡ lớn đã mở ra
một hướng tiếp cận mới nhằm nâng cao tốc độ truyền nhận dữ liệu cũng
như cải thiện được chất lượng đường truyền. Cấu trúc mạng truyền dẫn vô
tuyến MIMO cỡ lớn được kết hợp bởi các mô hình truyền dẫn chuyển tiếp
và mô hình truyền dẫn trạm gốc với các kết nối điểm-đa điểm như hình 1.1.

Hình 1. 1: Mạng truyền dẫn vô tuyến Massive MIMO

Các mạng truyền dẫn vô tuyến sử dụng nhiều ăng-ten tại trạm gốc
hoặc nút chuyển tiếp kết hợp với việc áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu
để tạo ra tín hiệu tạo búp tối ưu [17-21]. Với các mạng truyền dẫn thực hiện
nhiều quá trình xử lý tín hiệu ở lớp vật lý dẫn tới mức năng lượng tiêu thụ
tăng. Do đó, tối thiểu công suất phát để nâng cao thời gian hoạt động ổn
định cho trạm gốc hoặc nút chuyển tiếp có ý nghĩa thực tiễn. Như vậy,
mạng truyền dẫn vô tuyến ứng dụng các công nghệ MIMO, kỹ thuật tạo

9

búp, công nghệ ăng-ten vi dải không những mang lại nhiều ưu điểm về hiệu
năng truyền dẫn mà còn tồn tại những thách thức về việc giải quyết bài
toán tối thiểu công suất phát. Xét về khía cạnh toán học, những bài toán tối
thiểu công suất phát phần lớn là những bài toán tối ưu hàm không lồi có
điều kiện ràng buộc. Đây là những bài toán có độ phức tạp lớn và khó xác
định chính xác giá trị tối ưu. Do vậy, phát triển các kỹ thuật tối ưu phù hợp
và hiệu quả để giải bài toán tối ưu công suất phát được các nhà khoa học
quan tâm nghiên cứu. Đầu tiên phải đề cập đến những bài toán liên quan
đến tối thiểu công suất phát trạm gốc sử dụng phương pháp nhân tử
Lagrange, giải thuật ngẫu nhiên được áp dung trong các bài toán: Tối thiểu
hóa tổng công suất phát với điều kiện ràng buộc SINR phía thu, tối thiểu
giá trị cực đại SINR với điều kiện công suất tại mỗi ăng-ten [22-26]. Mặc
dù các kỹ thuật để xuất trên đã xác định được các giá trị tối ưu tuy nhiên độ
hội tụ bài toán mới đạt ở mức thấp. Kỹ thuật tối ưu SDP đã phát triển và
được ứng dụng nhiều trong những thập niên 90 trong các bài toán liên quan
đến tối ưu lồi có điều kiện ràng buộc, tối ưu điều khiển và tối ưu tổ hợp.
Thực tế, các bài toán tối ưu SDP thuộc lớp bài toán hàm lồi phi tuyến sử
dụng thuật toán tìm kiếm điểm trong rất hiệu quả về mặt lý thuyết cũng như
trong thực nghiệm [27-28]. Do vậy, đối với các bài toán tối ưu không lồi
khó xác định được cực trị và để giải thường được biến đổi đưa về dạng bài
toán SDP. Kỹ thuật tối ưu SDP cũng thường được lựa chọn để xác định
đường bao gốc trong các nghiên cứu khi đánh giá hiệu quả và so sánh với
các kỹ thuật tối ưu khác.
Song song với sự phát triển những kỹ thuật tối ưu mới, kỹ thuật tối
ưu bán bất định giản lược SDR là một trong những kỹ thuật được áp dụng
hiệu quả đối với nhiều bài toán cụ thể trong thực tế. Kỹ thuật SDR sử dụng
phép biến đổi xấp xỉ được ứng dụng rất phổ biến trong các vấn đề về xử lý

10

tín hiệu và truyền dẫn vô tuyến thông qua lớp bài toán QCQP [29-35]. Cụ
thể, các nghiên cứu trong [29, 30, 33, 34, 36, 37] đã áp dụng kỹ thuật SDR
để thực hiện thiết kế ma trận trọng số tối ưu với các bài toán có hàm mục
tiêu phi tuyến, không lồi. Kỹ thuật tối ưu SDR có một nhược điểm khi áp
dụng với các bài toán có độ phức tạp lớn thì khó xác định được giá trị tối
ưu hoặc hội tụ lâu. Đặc biệt, trong trường hợp đối với việc tăng số lượng
người dùng và số các điều kiện ràng buộc thì bài toán sẽ trở nên khó giải,
vì đòi hỏi phải thực hiện qua nhiều bước trung gian để đạt được kết quả khả
quan. Lý thuyết tối ưu hiện đại đã được phát triển nhằm khắc phục những
hạn chế của kỹ thuật tối ưu SDP, SDR trong việc cải thiện tốc độ hội tụ khi
áp dụng vào các bài toán hàm không lồi phi tuyến. Trong đó, kỹ thuật sử
dụng hàm phạt được đề xuất bằng việc thông qua thực hiện chuyển các bài
toán tối ưu không lồi có điều kiện thành các bài toán tối ưu không có điều
kiện ràng buộc hoặc có các ràng buộc đơn giản hơn. Các công bố [38-41]
sử dụng kỹ thuật Nonsmooth [74] kết hợp với hàm phạt hiệu quả cho các
mô hình truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten liên quan đến bài toán tối thiểu
công suất phát.

Hình 1. 2: Độ hội tụ phụ thuộc vào lựa chọn điểm khởi tạo và bước nhảy sau một vòng

lặp [5]