Tối ưu tài nguyên vô tuyến trong hệ thống thông tin di động 5g

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HÀ NGỌC TIẾN

TỐI ƯU TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông.
Mã số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2019




LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, em muốn gửi lời chân thành cảm ơn đến Thầy hướng dẫn luận văn
của em, Thầy PGS. TS. Hà Hồng Kha. Trong suốt q trình thực hiện đề
tài này, Thầy đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ em từ lúc bắt đầu nhận đề tài cho
đến khi hoàn thành luận văn. Trong thời gian này, Thầy Kha đã giúp em có
được các kiến thức cơ bản về phương pháp thực hiện và các hướng tìm hiểu
để thực hiện đề tài này. Với mỗi giải pháp được xét tới, Thầy đều có thể giúp
đỡ và suy nghĩ các hướng đi, phương pháp thích hợp nhất để em lựa chọn và
áp dụng. Ngoài việc hỗ trợ các kiến thức chun mơn, Thầy cịn giúp đỡ em
rất nhiều về mặt tinh thần, ln động viên và khích lệ em trong những lúc
gặp khó khăn khơng chỉ trong học tập, làm việc mà còn các vấn đề trong cuộc
sống đời thường. Nhờ có Thầy, em khơng chỉ học được các kiến thức chun

mơn mà cịn là cách học tập, làm việc nghiêm túc và chuyên nghiệp. Ngoài
ra, em muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô đang giảng dạy trong bộ môn
Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Các thầy,
cơ đã truyền dạy các kiến thức, kinh nghiệm sống quý báu của mình cùng sự
tân tâm trong quá trình giảng dạy. Các tri thức mà em đã tiếp thu trong thời
gian học tại trường đã giúp ích cho em rất nhiều trong đề tài luận văn này
nói riêng và trong cuộc sống nói chung.
Và trên hết, em xin gửi lời cảm ơn đến Gia Đình của em, những người đã ln
giúp đỡ, ủng hộ tinh thần và vật chất tốt nhất cho em để có thể hồn thiện
luận văn này.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến các công sự, bạn bè đã luôn chia sẻ, giúp
đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2019

Hà Ngọc Tiến


TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, sự phát triển bùng nổ số lượng các thiết bị thông
minh (như điện thoại, máy tính bảng, các thiết bị kết nối vơ tuyến thông
minh, . . . ), cùng với việc khai thác và truy cập dữ liệu trực tuyến đã kéo theo
sự gia tăng đáng kể về lưu lượng thông tin trong hệ thống thông tin vô tuyến.
Theo các số liệu thống kê gần đây, số lượng các thiết bị kết nối vào hệ thống
thông tin vô tuyến và lưu lượng thông tin sẽ còn tiếp tục gia tăng phục vụ cho
các nhu cầu thơng minh và tự động và có thể đạt gấp nhiều lần trong những
năm kế tiếp. Với sự gia tăng nhanh về số lượng kết nối và lưu lượng thông tin
này, hệ thống thông tin số tuyến thế hệ thứ 5 (5G) đã và đang được nghiên
cứu để được ra các giải pháp nhằm đáp ứng các nhu cầu về các dịch vụ và cải
thiện các hiệu suất sử dụng năng lượng và phổ.

Xuất phát từ những vấn đề trên, luận văn nghiên cứu về hệ thống MU-MIMO
nhiều cell và MU-MIMO HetNet đặc biệt là về các vấn đề can nhiễu giữa các
cell và các người dùng và các vấn đề năng lượng, từ đó tìm ra các giải pháp
để thiết kế các bộ tiền mã hóa tối ưu. Thứ nhất, luận văn thiết kế các bộ
tiền mã hóa trong việc tối đa hóa tổng hiệu suất năng lương (EE) và tối đa
hóa hiệu suất năng lượng nhỏ nhất của các người dùng trong hệ thống đường
lên MIMO HetNet. Ở nghiên cứu tiếp theo, luận văn nghiên cứu về việc thiết
kế các bộ tiền mã hóa để tối ưu hiệu suất phổ và năng lượng thu thập được
trong hệ thống MU-MIMO nhiều cell truyền thông tin và năng lượng đồng
thời (SWIPT). Trong mơ hình cuối, luận văn nghiên cứu về vấn đề thiết kế
bộ tiền mã hóa nhằm tối ưu hiệu suất năng lượng trong hệ thống truyền năng
lượng không dây MU-MIMO HetNet, hệ thống này xem xét việc các trạm gốc
truyền năng lượng cho các thiết bị người dùng và sau đó các thiết bị này sử
dụng năng lượng thu thập được để truyền thông tin về cho trạm gốc. Cuối
cùng, luận văn đã thực hiện các mơ phỏng số cho các mơ hình tối ưu hiệu suất
năng lượng trong hệ thống đường lên MIMO HetNet, tối ưu hiệu suất phổ và
năng lượng thu thập trong hệ thống MU-MIMO SWIPT nhiều cell và tối ưu
hiệu suất năng lượng trong hệ thống HWPCN để kiểm chứng lý thuyết cũng
như tính hiệu quả của các thiết kế. Các kết quả nghiên cứu đã được đăng một
ở tạp chí trong nước, một ở tạp chí quốc tế ISI, và đã nộp một tạp chí quốc
tế ISI và đang chờ kết quả.


ABSTRACT
In recent years, the explosive development of the number of smart devices (such as smart
phone, tablet, smart wireless devices, . . . ), along with exploiting and accessing online
data and applications have increased rapidly. That has led to a significant increase in
mobile data traffic into wireless communication systems. According to recent statistics,
the number of wireless connected devices and mobile data traffic will continue increasing
to meet the requirements for smart and automation services and can reach many times in

next few years. With an increasing in both wireless connections and mobile data traffic,
the fifth generation (5G) of wireless networks has been studied to come up with solutions
to meet the demands of services and improve spectrum and energy efficiency.
Therefore, this thesis studies the challenges of multicell multiple-user MIMO (MUMIMO) networks and MU-MIMO HetNet, particularly interference issues of inter-cell
and intra-cell and energy efficiency problems and, then finds the optimal precoding designs. Firstly, the thesis studies on designing precoder matrices to maximize the system
energy efficiency (SEE) and maximize minimum energy efficiency (Min-EE) of users in
uplink MIMO HetNet. Next, the thesis focuses on precoder designs for optimizing spectral
efficiency and harvested energy in mutilcell MU-MIMO SWIPT. In the last model, the
thesis investigates on the energy efficiency (EE) optimization problem in multiple-user
multiple-input-multiple-output (MIMO) heterogeneous wireless powered communication
network (HWPCN). Different from the second system model, in this model, base stations
broad energy RF signals to users, and the energy is harvested and utilized to recharge
user’s batteries and then, users exploit the harvested energy for transmitting its information signal to the BSs. Finally, the numerical simulations for EE optimization in uplink
MIMO HetNet model, jointly spectral efficiency (SE) and sum harvested energy (SHE) optimization in MU-MIMO simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT)
and EE optimization in HWPCN were conducted to verify the effectiveness of designs
in this thesis. The research results associated with this thesis have been published in a
national journal, a ISI journal, and have submitted in one ISI journal.


LỜI CAM ĐOAN
Em tên Hà Ngọc Tiến, là học viên cao học chun ngành Kỹ thuật Viễn Thơng, khóa
2018, tại Đại Học Quốc Gia TP.HCM - Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí
Minh. Em xin cam đoan những nội dung sau đều là sự thật:
- Cơng trình nghiên cứu này hồn tồn do chính em thực hiện trong suốt quá trình
thực hiện đề tài dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Hà Hoàng Kha.
- Các tài liệu và các trích dẫn trong luận văn đều được tham khảo từ các nguồn thực
tế, uy tín và độ chính xác cao.
- Các số liệu và kết quả mô phỏng được thực hiện một cách độc lập và hoàn toàn
trung thực.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2019

Hà Ngọc Tiến


Mục lục
Mục lục

i

Danh sách hình vẽ

iv

Danh sách bảng

vi

Từ viết tắt

ix

Danh sách lưu đồ giải thuật

x

1 MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Yêu cầu kỹ thuật cho mạng vô tuyến thế hệ thứ 5 - 5G
1.1.2 Xu hướng tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động .

1.1.3 Mức tiêu thụ năng lượng trong ngành viễn thông . . .
1.2 Lý do chọn đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Bố cục của luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Các bài báo đã hoàn thành trong luận văn . . . . . . . . . . .

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYẾT LIÊN
QUAN
2.1 Kỹ thuật đa ngõ vào đa ngõ ra MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 MIMO điểm-đến-điểm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 MIMO đa người dùng (MU-MIMO) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Massive MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Mạng hỗn hợp HetNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i

1
1
1
3
4
6
8
8
8

8
9
10
10

12
12
12
13
13
15


MỤC LỤC

2.3
2.4

2.5

2.6

Vấn đề truyền thông xanh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lý thuyết cơ bản về toán tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Bài toán tối ưu cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 Tối ưu lồi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2.1 Tập lồi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2.2 Hàm lồi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 Bài toán tối ưu hàm mục tiêu dạng phân số . . . . . . . .
2.4.3.1 Cơ bản của hàm tựa-lõm . . . . . . . . . . . . . .

2.4.3.2 Giải thuật Dinkelbach cho tối ưu phân số lõm-lồi
2.4.4 Phương pháp lặp cho bài tốn tối ưu khơng lồi . . . . . . .
2.4.4.1 Phương pháp Majorization-Minimization (MM) .
2.4.4.2 Giải thuật tối ưu lồi tuần tự - SCP . . . . . . . .
2.4.4.3 Giải thuật lặp SCP dựa trên DC . . . . . . . . .
Phương pháp Coordinate Descent . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 Coordinate Descent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 Block Coordinate Descent . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

17
19
19
20
20
20
21
21
22
23
23
24
24
25
25
27
28

3 THIẾT KẾ BỘ TIỀN MÃ HOÁ TỐI ĐA HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG
TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN MIMO HỖN HỢP NHIỀU CELL

3.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Mơ hình hệ thống kênh đường lên MIMO HetNet . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Thiết kế bộ tiền mã hoá tối ưu hiệu suất năng lượng toàn hệ thống . . . .
3.4 Thiết kế bộ tiền mã hóa tối đa hóa hiệu suất năng lượng nhỏ nhất . . . . .
3.5 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29
30
31
34
36
39
42

4 THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÀ TỐI ƯU HIỆU SUẤT PHỔ TRONG
HỆ THỐNG VÔ TUYẾN MIMO NHIỀU CELL
4.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Mơ hình hệ thống và vấn đề thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Thuật toán đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Lựa chọn thiết bị người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Thuật toán tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Phân tích sự hội tụ và độ phức tạp của việc tính tốn . . . . . . . .
4.4 Các kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45
46
48
51

51
52
55
56
57

ii


MỤC LỤC

5 TỐI ƯU HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG TRUYỀN
THÔNG NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN HỖN HỢP
5.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Mơ hình hệ thống và vấn đề thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Pha đường xuống WET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Pha đường lên WIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 Cơng thức hóa vấn đề thiết kế các bộ tiền mã hóa . . . . . . . . . .
5.3 Thuật toán đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 Các kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60
61
62
64
65
67
68
72

75

6 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU KẾ TIẾP
77
6.1 Kết luận chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2 Hướng phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Phụ lục
81
A
Chứng minh công thức (4.11) và (4.12) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Tài liệu tham khảo

82

iii


Danh sách hình vẽ
1.1
1.2
1.3
1.4

Những yêu cầu về chất lượng và hiệu năng trong mạng 5G (5G Flower [1]).
Sự gia tăng lưu lượng dữ liệu di động trong năm 2016 của các khu vực [2].
Dự báo nhu cầu lưu lượng dữ liệu di động hằng tháng giai đoạn 2016–2021
[2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tỷ lệ của sự tiêu thụ năng lượng tại trạm gốc BS với các trường hợp triển
khai tế bào khác nhau (Nguồn EARTH Project [3]). . . . . . . . . . . . . .
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

5

Mơ hình MIMO điểm-đến-điểm [9]. . . . . . . . . . . . . .
Mơ hình MIMO đa người dùng đường lên [9]. . . . . . . .
Mơ hình MIMO đa người dùng đường xuống [9]. . . . . . .
Mơ hình mạng HetNet [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tổng quan mạng hỗn hợp [13]. . . . . . . . . . . . . . . . .
Định hướng giải pháp kỹ thuật cho truyền thơng xanh [14].
Các ví dụ về tập lồi [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ví dụ về hàm lồi [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ví dụ của thuật tốn coordinate descent. . . . . . . . . . .
Ví dụ về hạn chế của phương pháp coordinate descent. . .

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

13

14
14
15
16
18
20
21
26
27

3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7

Mơ hình hệ thống uplink MIMO HetNet. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tốc độ hội tụ của Thuật toán 2 cho tối ưu SEE. . . . . . . . . . . . . . .
Tốc độ hội tụ của Thuật toán 3 cho tối ưu cực tiểu EE. . . . . . . . . . .
SEE khi tối ưu dùng Thuật toán 2 và khi tối ưu tổng tốc độ. . . . . . . .
EE khi tối ưu dùng Thuật toán 3 và khi tối ưu cực tiểu tốc độ. . . . . . .
Tổng tốc độ khi tối ưu theo Thuật toán 2 và khi tối ưu theo tổng tốc độ.
Cực tiểu tốc độ khi tối ưu theo Thuật toán 3 và khi tối ưu theo cực tiểu
tốc độ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SEE của Thuật toán 2 với các ngưỡng can nhiễu khác nhau. . . . . . . .
EE của Thuật toán 3 với các ngưỡng can nhiễu khác nhau. . . . . . . . .

.

.
.
.
.
.

32
40
41
42
42
43

4.1

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

4

2.1
2.2

2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10

3.8
3.9

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

2
3

. 43
. 44
. 44

Mơ hình hệ thống đường xuống nhiều cell MU-MIMO SWIPT với các IDRs
và EHRs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
iv


DANH SÁCH HÌNH VẼ

4.2
4.3
4.4

Các đặc tính hội tụ của Thuật toán 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Các đặc tính đánh đổi giữa SR và SHE với các hệ thống {4, 2, 2} và {4, 3, 1}. 58
Các đặc tính đánh đổi giữa SR và SHE với các hệ thống {8, 4, 4} và {8, 5, 3}. 58

5.1
5.2
5.3

Mơ hình của hai pha truyền dẫn trong MU MIMO HWPCN. . . . . . . . .
Đặc tính hội tụ của Thuật tốn 5 với các giá trị quỹ cơng suất khác nhau.
EE trung bình có thể đạt được của Thuật Toán 5 và tối đa hóa SE với các
quỹ cơng suất phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tổng tốc độ cho tối đa hóa EE và tối đa hóa tổng tốc độ. . . . . . . . . . .
Hiệu suất EE và SE ứng với thời gian τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4
5.5

v

63
73
74
75
76


Danh sách bảng
3.1

Các thông số mô phỏng

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.1
5.2

Các định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Danh sach các thông số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

vi


Từ viết tắt

4G

Fourth Generation (Thế hệ thứ 4)

5G

Fifth Generation (Thế hệ thứ 5)

AO

Alternating Optimization (Tối ưu tuần tự)

AWGN

Additive White Gaussian Noise (Nhiễu trắng Gaussian cộng vào)

BB

Base Band (Dải nền)

BCA

Block Coordinate Ascent (Tăng dần theo khối)

BCD

Block Coordinate Descent (Giảm dần theo khối)

BS

Base Station (Trạm gốc)

C-RAN

Cloud-Radio Access Networks (Mạng truy cập vô tuyến điện toán
đám mây)

CD

Coordinate Descent (Giảm dần)

CoMP

Coordinated Multi-Point (Phối hợp đa điểm)

CR

Cognitive Radio (Vô tuyến nhận thức)

CSI

Channel State Information (Thông tin trạng thái kênh)

DC

Difference of Convex (Sự sai biệt lồi)

DL

Downlink (Đường xuống)

DoF

Degree of Freedom (Bậc tự do)

EE

Energy Efficiency (Hiệu suất năng lượng)

EH

Energy Harvesting (Thu thập năng lượng)

EHR

EH Receiver (Máy thu thu thập năng lượng)

FDMA

Frequency Division Multiple Access (Đa truy cập phân chia theo
tần số)

HetNet

Heterogeneous Network (Mạng hỗn hợp)

vii


Từ viết tắt

HTT

Harvest-Then-Transmit (Thu thập sau đó truyền)

HWPCN

Heterogeneous Wireless Power Communication Network (Mạng truyền
thông năng lượng vô tuyến hỗn hợp)

IA

Interference Alignment (Sắp xếp can nhiễu)

IC

Interference Channel (Kênh truyền can nhiễu)

ICT

Information and Communications Technology (Công nghệ truyền
thông và thông tin)

IDR

Information Decoding Receiver (Máy thu giải mã thông tin)

LoS

Line-of-Sight (Đường truyền thằng)

MBS

Macro Base Station (Trạm gốc macro)

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output (Đa ngõ vào đa ngõ ra)

MISO

Multiple-Input Single-Output (Đa ngõ vào đơn ngõ ra)

MMSE

Minimum Mean Square Error (Sai số bình phương trung bình nhỏ
nhất)

MSE

Mean Square Error (Sai số bình phương trung bình)

MU-MIMO

Multi-User Multiple-Input Multiple-Output (Đa người dùng đa ngõ
vào đa ngõ ra)

NLoS

Non Line-of-Sight (Đường truyền không thẳng)

OIA

Opportunistic Interference Alignment (Sắp xếp can nhiễu cơ hội)

PA

Power Amplifier (Khuếch đại công suất)

QoS

Quality of Service (Chất lượng dịch vụ)

RF

Radio Frequency (Tần số vơ tuyến)

SCA

Sequential Convex Algorithm (Thuật tốn lồi tuần tự)

SCP

Sequential Convex Programming (Lập trình lồi tuần tự)

SDP

Semidefinite Programming (Lập trình bán xác định)

SE

Spectral Efficiency (Hiệu suất phổ)

SEE

System Energy Efficiency (Hiệu suất năng lượng hệ thống)

SHE

Sum Harvested Energy (Tổng năng lượng thu thập)

SINR

Signal to Interference plus Noise Ratio (Tỷ số tín hiệu trên can
nhiễu cộng)

SNR

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


Từ viết tắt

SR

Sum Rate (Tốc độ tổng)

SU-MIMO

Single-User Multiple-Input Multiple-Output (Đơn người dùng đa
ngõ vào đa ngõ ra)

SWIPT

Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (Truyền
thông tin và năng lượng đồng thời)

TDMA

Time Division Multiple Access (Đa truy cập phân chia theo thời
gian)

UE

User Equipment (Thiết bị người dùng)

UL

Uplink (Đường lên)

WET

Wireless Energy Transmission (Truyền năng lượng vô tuyến)

WIT

Wireless Information Transmission (Truyền thông tin vô tuyến)

WPBC

Wirelessly Powered Backscatter Communication (Truyền thông tán
xạ ngược vô tuyến)

WPCN

Wireless Power Communication Network (Mạng truyền thông năng
lượng vô tuyến)

ZF

Zero-Forcing (Ép buộc bằng không)

ix


Danh sách lưu đồ giải thuật
1
2
3
4
5

Giải thuật Dinkelbach cho bài toán phân số lồi–lõm .
Thuật toán lặp cho tối ưu SEE . . . . . . . . . . . .
Thuật tốn lặp tìm giá trị cực đại của cực tiểu EE .
Thuật toán lặp cho việc thiết kế các bộ tiền mã hóa.
Thuật tốn lặp cho cực đại EE . . . . . . . . . . . .

x

.
.
.

.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.

.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.

.
.

.
.
.
.
.

23
37
39
55
72


Chương 1
MỞ ĐẦU
Chương này trình bày về cơ sở hình thành vấn đề nghiên cứu (yêu cầu trong mạng vô
tuyến thế hệ 5G, nhu cầu sử dụng lưu lượng dữ liệu, mức tiêu thụ năng lượng ngành viễn
thơng) từ đó nêu lên lý do lựa chọn đề tài. Tiếp theo đó, chương này giới thiệu mục tiêu
và nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và bố cục luận
văn. Mục cuối cùng liệt kê các cơng trình được cơng bố trong khi thực hiện luận văn.

1.1
1.1.1

Đặt vấn đề nghiên cứu
Yêu cầu kỹ thuật cho mạng vô tuyến thế hệ thứ 5 - 5G

Trong bối cảnh phát triển của các thế hệ thông tin vô tuyến từ 1G đến 5G và các thế hệ
kế tiếp, mạng thông tin vô tuyến thế hệ thứ 5 - WC5G (Wireless communications fifth
generation - WC5G) đặt ra các yêu cầu và thách thức mới về cả dịch vụ và sự vận hành
hiệu quả [1]. Cụ thể, về chất lượng dịch vụ (QoS), WC5G cần phải đáp ứng các yêu cầu
sau
• Tốc độ dữ liệu cho thiết bị: Tại thiết bị người dùng, tốc độ dữ liệu đạt 0.1 đến 1
Gbps.
• Mật độ số lượng kết nối mạng: Mật độ các kết nối có thể phục vụ là 1.000.000 kết
nối cho mỗi km vng (106 /km2 ).
• Độ trễ đầu cuối đến đầu cuối: Đạt ở mức mili giây (ms) cho các kết nối đáp ứng
nhanh.
• Tính di động của thiết bị: Mạng WC5G có thể phục vụ cho thiết bị di chuyển ở tốc
độ trên 500 km/h (ví dụ như người dùng trên tàu cao tốc).
• Tốc độ dữ liệu đỉnh: Đạt hàng chục Gb mỗi giây (Gbps).

1


1. MỞ ĐẦU

Hình 1.1: Những yêu cầu về chất lượng và hiệu năng trong mạng 5G (5G Flower [1]).
• Mật độ lưu lượng: Đạt hàng chục ngàn tỷ bit trên giây trong mỗi km vuông
(Tbps/Km2 ).
Bên cạnh các thách thức về QoS, hệ thống WC5G còn cần đảm bảo các yêu cầu về
hoạt động hiệu quả, bao gồm
• Hiệu suất phổ tần: được cải thiện cho đáp ứng tốc độ cao và mật độ dày đặc của
các thiết bị.
• Hiệu suất năng lượng: thiết kế xanh và thân thiện với mơi trường, tiết kiệm năng
lượng.
• Hiệu quả kinh tế: ngồi 2 yếu tố kể trên, việc đầu tư có hiệu quả kinh tế cao trong

triển khai hạ tầng cơ sở cũng được quan tâm.
Hình 1.1 biểu diễn ẩn dụ các yêu cầu kỹ thuật của WC5G là một bông hoa với các
cánh hoa tượng trưng cho sự đồng đều về chất lượng dịch vụ (QoS), và các lá tượng trưng
cho tính vận hành hiệu quả. Bơng hoa trên được gọi là bơng hoa 5G (5G flower) [1]. Có
thể thấy trong Hình 1.1, các yêu cầu chất lượng của mạng 5G đều cao hơn nhiều so với
mạng thế hệ thứ tư - 4G trước đó. Điều này đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu mới về cả
thiết kế các giải thuật và triển khai cơ sở hạ tầng để có thể đạt các mục tiêu nêu trên về
QoS và tính hiệu quả trong hệ thống thông tin di động 5G.
2


1. MỞ ĐẦU

Để góp phần giải quyết các yêu cầu cho mạng WC5G nêu trên, luận văn này hướng
tới mục tiêu nghiên cứu và thiết kế giải pháp cho việc đáp ứng yêu cầu về nâng cao tốc độ
dữ liệu trong yêu cầu QoS (được biết đến là cải thiện hiệu suất phổ SE ) cũng như hiệu
suất năng lượng EE trong yêu cầu vận hành hiệu quả. Đây cũng chính là mục tiêu chính
của luận văn. Ngồi ra, hướng tới truyền thơng xanh, luận văn cịn hướng tới mục tiêu
nghiên cứu về việc tối ưu năng lượng thu thập trong mạng truyền năng lượng vô tuyến.
Trong các tiểu mục tiếp theo, các số liệu thống kê và dự báo của việc hình thành hai yêu
cầu cấp thiết nêu trên sẽ được làm rõ.

1.1.2

Xu hướng tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động

Nam Mỹ

44 %

Tây Âu

52 %

Trung và Đông Châu Âu

64 %

Mỹ La Tinh

66 %

Châu Á, Thái Bình Dương

71 %

Trung đơng và châu phi

96 %
0

20

40

60

80

100

Hình 1.2: Sự gia tăng lưu lượng dữ liệu di động trong năm 2016 của các khu vực [2].
Trong xu thế phát triển nhanh chóng và tồn cầu hố của hệ thống và kỹ thuật thông
tin và truyền thông (ICT), đặc biệt là thông tin vô tuyến, các thống kê và dự báo về tốc
độ cũng như xu hướng phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến được công ty Cisco
trong giai đoạn 2016 – 2021 chỉ ra rằng kết nối vô tuyến sẽ tăng cả về số lượng, chất lượng
và độ thông minh của mạng kết nối [2]. Một số vấn đề chính về thông tin vô tuyến giai
đoạn 5 năm (2016 – 2021) được thống kê và ước lượng như sau.
Tổng lưu lượng dữ liệu di động tăng 63% trong năm 2016 so với năm trước đó 2015.
Trong đó tổng lưu lượng của các vùng gia tăng nhanh và được biểu diễn trong Hình 1.2.
Cụ thể, Trung Đơng và Châu Phi có tốc độ cao nhất (96%), kế đến là Châu Á Thái Bình
Dương là 71%, trung và đơng Âu tăng 64%, Tây Âu gia tăng 52%, và tỷ lệ tăng của Bắc
Mỹ là 44% trong năm 2016. Một số quốc gia có tốc độ gia tăng lớn phải kể đến như
Indonesia, Trung Quốc và Ấn Độ với tốc độ tăng tương ứng là là 142%, 86% và 76%.
Dự báo về lưu lượng dữ liệu di động trong Hình 1.3 cho thấy, nhu cầu sử dụng dữ liệu
tăng nhanh qua các năm và sẽ đạt 49 Exabytes (Eb) (1 Eb = 1 tỷ Gb) mỗi tháng vào
3


1. MỞ ĐẦU

60
49

Lưu lượng dữ liệu (Eb)

50

40

35

30

24
17

20
11
10

7

0
2016

2017

2018

2019

2020

2021

Hình 1.3: Dự báo nhu cầu lưu lượng dữ liệu di động hằng tháng giai đoạn 2016–2021 [2].
năm 2021, gấp 7 lần so với năm 2016. Và tỷ lệ tăng trưởng phức hằng năm (Compound
Annual Growth Rate - CAGR) lên tới 47% từ năm 2016 đến 2021.
Qua số liệu trên, có thể thấy một con số khổng lồ của nhu cầu lưu lượng thông tin di

động. Tuy nhiên, theo lý thuyết cơ sở của dung lượng kênh thông tin vô tuyến (lý thuyết
Shannon), để nâng cao dung lượng kênh vô tuyến hoặc phải tăng băng thơng kênh hoặc
tăng được tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Vì thế, gần đây nhiều cơng trình nghiên cứu về vấn
đề này, ví dụ như giải pháp nâng cao hiệu suất phổ hay tái sử dụng nguồn tài nguyên phổ
tần hay tìm kiếm dải phổ thay thế. Trong luận văn này, kỹ thuật giải quyết can nhiễu và
bài toán nâng cao hiệu suất phổ tần sẽ được xem xét và thiết kế lại để đáp ứng mục tiêu
nâng cao hiệu suất phổ tần.

1.1.3

Mức tiêu thụ năng lượng trong ngành viễn thơng

Với sự phát triển nhanh chóng và rộng rãi của kỹ thuật thơng tin và truyền thơng (ICT)
đã trình bày trong mục 1.1.2, một vấn đề nảy sinh tất yếu chính là tiêu thụ năng lượng
cũng sẽ gia tăng.
Hình 1.4 mô tả tỷ lệ mức tiêu thụ năng lượng của một trạm gốc BS trong hệ thống
di động tế bào. Trong các biểu đồ ở Hình 1.4, rõ ràng rằng hai tỷ lệ tiêu thụ năng lượng
nhiều nhất đó là phần khuếch đại công suất – PA và xử lý dải nền – BB. Ở mơ hình
Macro cell, phần khuếch đại công suất chiếm 57% tổng năng lượng tiêu thụ, và giảm dần
ở các hệ thống micro cell là 38%, pico cell là 28% và femto cell là 22%. Đối với phần xử
lý giải nền, mơ hình femto cell có tỷ lệ tiêu thụ năng lượng nhiều nhất là 47%, kế đến là
pico cell 41%, kế tiếp là micro cell là 38%, cuối cùng là macro cell 13%. Như vậy, có thể
cải thiện đáng kể hiệu suất sử dụng năng lượng khi trực tiếp tác động vào hai phần tiêu
thụ năng lượng có tỷ lệ lớn này.
4


1. MỞ ĐẦU

MICRO CELL

MACRO CELL
Làm mát
10%

PA
57%

BB
13%

BB
38%

PA
38%

RF
6%
DC - DC
6%
MS
8%

RF
9%

PICO CELL

DC - DC 7%

FEMTO CELL
PA
22%

PA
26%
BB
41%

BB
47%

MS
11%

MS
11%
RF
14%

MS
8%

DC - DC
8%

PA: khuếch đại công suất,
DC – DC: chuyển đổi nguồn,

RF
12%

DC - DC
8%

MS: cung cấp chính,
RF: vơ tuyến,
BB: xử lý giải nền.

Hình 1.4: Tỷ lệ của sự tiêu thụ năng lượng tại trạm gốc BS với các trường hợp triển khai
tế bào khác nhau (Nguồn EARTH Project [3]).
Hơn nữa, sự tiêu thụ năng lượng của ngành công nghiệp viễn thơng nói chung và của
các thiết bị di động nói riêng được nhận định là thuộc nhóm các ngành tiêu thụ năng
lượng lớn (ví dụ như, Telecom Italia là công ty tiêu thụ điện thứ hai tại Italia như trong

5


1. MỞ ĐẦU

tài liệu [4]), và xét trên tổng thể, sự tiêu thụ năng lượng của mạng di dộng đang gia tăng
nhanh hơn kỹ thuật ICT [4]. Ngoài ra, với sự gia tăng đáng kể của các thiết bị thông
minh và kết nối vô tuyến đang trở nên được ưa chuộng hơn, thì việc tiêu thụ năng lượng
của các kết nối vô tuyến sẽ gia tăng một cách đáng kể nếu khơng có các biện pháp phù
hợp được áp dụng. Theo thống kê trong [5, 6, 7], lượng năng lượng tiêu thụ khổng lồ tại
các trạm gốc (BS) dẫn đến tiêu tốn chi phí cao trong truyền thơng vơ tuyến. Hơn 50%
năng lượng được sử dụng cho phần truy cập vô tuyến (RA), và 50% – 80% được sử dụng
cho phần khuếch đại công suất (PA). Cũng theo [7], chi phí năng lượng xấp xỉ 18% của
tổng chi phí trong thị trường Châu Âu và hơn 32% tại Ấn Độ.

Sự ảnh hưởng của vấn đề năng lượng có thể được thể hiện qua ba khía cạnh sau:
• Về khía cạnh người phát triển hệ thống, để giảm chi phí vận hành, hoạt động dựa
trên giảm năng lượng tiêu thụ, một số các công ty lớn đã bắt đầu các dự án về hiệu
quả năng lượng như Huawei với tên gọi “Green Communications, Green Huawei,
and Green World” như trong [8], hay của cơng ty Ericsson như trong [5].
• Về khía cạch người sử dụng, vấn đề năng lượng trong truyền thông vơ tuyến là vấn
đề tất yếu để duy trì kết nối. Sẽ là rào cản lớn nhất trong khai thác dịch vụ vô
tuyến khi thời lượng sử dụng năng lượng lưu trữ bị hạn chế.
• Về vấn đề mơi trường, sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng là góp phần vào
cuộc chiến bảo vệ mơi trường, cắt giảm khí thải nhà kính. Trong đó ngành viễn
thơng thế giới chiếm khoảng 5% tổng khí thải CO2 [6]. Vì vậy thiết kế, khai thác
và sử dụng hiệu quả nguồn tài ngun năng lượng sẽ có ý nghĩa lớn cho mơi trường
cả hiện tại và tương lai.
Từ các tình hình phát triển như nêu trên, hiệu suất năng lượng EE không chỉ mang lại
hiệu quả kinh tế cao hơn mà còn thể hiện được trách nhiệm xã hội khi tham gia vào cuộc
chiến chống biến đổi khí hậu tồn cầu. Do đó, đây được xem là bước chuyển cần thiết và
quan trọng từ việc tối ưu dung lượng và hiệu suất phổ SE qua việc tối ưu hiệu suất năng
lượng EE trong việc thiết kế các hệ thống mạng vô tuyến.

1.2

Lý do chọn đề tài

Từ các vấn đề nêu trên, việc cải thiện hiệu suất năng lượng trong mạng vô tuyến là một
lĩnh vực cần thiết và có sự ảnh hưởng nhất định đến hiệu suất của hệ thống thông tin
và truyền thơng trong tương lai. Chính từ các ngun nhân cấp bách nói trên, nhiệm vụ
trong luận văn sẽ hướng tới việc thiết kế hệ thống vô tuyến cải thiện hiệu suất phổ (SE)
và nâng cao hiệu suất năng lượng (EE). Một số định hướng chính trong luận văn này
được trình bày tóm tắt như sau (chi tiết được trình bày trong các phần sau):
6

1. MỞ ĐẦU

• Mang hỗn hợp (Heterogeneous Network (HetNet)): Mạng hỗn hợp là một kỹ thuật
được kỳ vọng là sẽ cải thiện các hiệu suất vô tuyến trong tương lai, nhờ việc bố trí
các cell nhỏ, chất lượng dịch vụ tới người dùng sẽ được nâng cao, giảm các vấn đề
liên quan đến suy hao đường truyền và phân bổ cơng suất nên do đó giúp nâng cao
hiểu quả sử dụng phổ.
• Kỹ thuật truyền thơng MIMO: Kỹ thuật MIMO đã được công nhận là kỹ thuật
hiệu quả để nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, gần hơn là mạng di động thế hệ thứ
5 (5G) khi MIMO mang lại độ phân tập cao, tăng độ tự do DoF trong thiết kế để
truyền tải nhiều dữ liệu hơn và phục vụ nhiều hơn thiết bị người dùng trong một
nguồn tài nguyên phổ, qua đó giúp nâng cao hiệu suất phổ - SE.
• Hiệu suất năng lượng: hiệu suất năng lượng là một chủ đề gần đây đang thu hút sự
quan tâm và nghiên cứu cả trong học thuật và công nghiệp. Tối ưu hiệu suất năng
lượng trong mạng MIMO HetNet đã là một vấn đề cần thiết trong hệ thống thơng
tin hiện đại, trong đó hệ thống kết hợp nâng cao hiệu suất phổ và hiệu suất năng
lượng.
• Truyền thơng tin và thu năng lượng đồng thời (Simultaneous Wireless Information
and Power Transfer (SWIPT)): Kỹ thuật truyền thông tin và thu năng lượng đồng
thời là kỹ thuật mới được kỳ vọng sẽ mang lại hiệu quả cao trong hệ thống thông
tin di động 5G. Với kỹ thuật này các trạm phát không chỉ truyền thông tin đơn
thuần như trước đây mà các thiết bị người dùng cịn có thể thu thập thơng tin từ
các tín hiệu RF nhằm kéo dài thời gian sử dụng thiết bị. Từ đó giúp nâng cao hiệu
suất sử dụng năng lượng.
• Mạng truyền năng lượng vơ tuyến (Wireless Power Communication Network): Mạng
truyền năng lượng vô tuyến được kỳ vọng sẽ giúp nâng cao hiệu suất vô tuyến. Với
việc các thiết bị người dùng có thể thu năng lượng từ các tín hiệu RF được gửi từ
các trạm phát và sau đó sử dụng năng lượng thu được này để phát các tín hiệu

thơng tin về trạm gốc, điều này có thể giúp cho các thiết bị người dùng vơ tuyến
có thể giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng.
Như vậy, mục tiêu của luận văn là kết hợp các kỹ thuật tiên tiến bao gồm HetNet, kỹ
thuật MIMO, vấn đề tối ưu hiệu suất phổ (SE) và hiệu suất năng lượng (EE), SWIPT và
WPCN để đạt được mục tiêu nâng cao hiệu năng sử dụng phổ tần và năng lượng. Mục
đích này hướng đến việc thiết kế một hệ thống thông tin vô tuyến trong tương lai khi
chúng phải đáp ứng nhu cầu lưu lượng và năng lượng cho kết nối ngày càng gia tăng về
số lượng, chất lượng, sự thuận tiện và mức độ thông minh.
Chính vì những định hướng trên, luận văn thực hiện có tên “TỐI ƯU TÀI NGUN
VƠ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G.”
7


1. MỞ ĐẦU

1.3

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Dựa trên các định hướng nêu trên, luận văn cần đạt được các kiến thức và kết quả sau:
• Nghiên cứu tổng quan về hệ thống thơng tin di động 5G.
• Mơ hình tốn, phân tích tín hiệu và giới thiệu giải thuật tính tốn cho cực đại hiệu
suất năng lượng mơ hình hệ thống MIMO HetNet. Mơ phỏng đánh giá thiết kế đưa
ra và so sánh với giải pháp đã có.
• Mơ hình tốn, phân tích tín hiệu và trình bày giải pháp thiết kế tối đa hóa hiệu
suất phổ và năng lượng thu thập trong hệ thống nhiều cell MU-MIMO SWIPT. Mô
phỏng đánh giá thiết kế. Khảo sát đặc điểm của sự đánh đổi giữa hiệu suất phổ và
năng lượng thu thập.
• Mơ hình tốn, phân tích tín hiệu và trình bày giải pháp thiết kế cực đại hiệu suất
năng lượng của hệ thống MU-MIMO HWPCN. Mô phỏng đánh giá thiết kế đưa ra.

1.4
1.4.1

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn này bao gồm:
• Hệ thống MIMO HetNet và vấn đề tối ưu hóa hiệu suất năng lượng khi thiết kế ma
trận tiền mã hóa của bộ phát.
• Thiết kế đồng thời hệ thống nhiều cell MU-MIMO SWIPT để tối đa hiệu suất phổ
và năng lượng thu thập được.
• Mơ hình mạng MU-MIMO HWPCN, mục đích trong nâng cao hiệu quả sử dụng
năng lượng, và bài toán thiết kế các bộ tiền mã hóa cho cả trạm gốc và thiết bị
người dùng.

1.4.2

Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu về thiết kế các bộ tiền lý cho bộ phát trong mơ hình
MIMO HetNet và đa cell. Trong đó nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi sau:
• Trong các phân tích ở chương sau, luận văn giả sử các điều kiện hoàn hảo của phần
cứng thu-phát, kỹ thuật loại bỏ can nhiễu đảm bảo yêu cầu, kênh truyền được ước
lượng đầy đủ.

8