Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: Gaocaolon6 Gaocaolon6 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án trình bày bài toán tối thiểu công suất phát trong mạng truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten; nâng cao tốc độ tính toán cho bài toán tối thiểu tổng công suất phát trạm gốc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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 x, y Tích vô hướng hai véc-tơ x và y XT Chuyển vị ma trận X XH Biến đổi Hermitian của ma trận X RN ,C N Không gian véc-tơ số thực và số phức N chiều  Hệ số phạt  d2 Phương sai nhiễu phía thu  s2 Phương sai tín hiệu  r2 Phương sai nhiễu tại nút chuyển tiếp max Trị riêng lớn nhất i Mức ngưỡng SINR tại người dùng thứ i  i2 Công suất nhiễu trắng cộng  Tích ma trận Kronecker rank  . Hạng của ma trận E  . Kỳ vọng . Chuẩn Frobenius của ma trận 0 Hệ số phạt khởi tạo ngẫu nhiên  (k ) Hệ số phạt của bước lặp thứ k 0 Hệ số phạt tối ưu  Nhiễu tại phía thu  Véc-tơ ngẫu nhiên không đối xứng phân phối Gau-xơ  Nhân tử lagrange 0 Nhân tử lagrange cực đại abs(.) 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
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 ăng-ten, 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