CHƯƠNG 1 BÀI TOÁN TỐI THIỂU CÔNG SUẤT PHÁT TRONG MẠNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN ĐA ĂNG-TEN 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 luan an 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: 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 luan an 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 luan an 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.
2: Độ hội tụ phụ thuộc vào lựa chọn điểm khởi tạo và bước nhảy sau một vòng lặp [5] luan an 11 Nhiều kết quả nghiên cứu đã khẳng định kỹ thuật Nonsmooth kết hợp hàm phạt không những xác định được giá trị tiệm cận tối ưu mà còn cải thiện được tốc độ hội tụ khi so sánh với các kỹ thuật tối ưu khác như kỹ thuật ngẫu nhiên và kỹ thuật SDR đối với những bài toán cụ thể. Tuy nhiên, việc sử dụng tham số phạt µ và bước nhảy sau mỗi vòng lặp của thuật toán có ảnh hưởng lớn tới tốc độ hội tụ của quá trình xác định giá trị tối ưu.2 đã thể hiện độ hội tụ khác nhau thông qua số bước lặp với hai trường hợp cùng giá trị khởi tạo hệ số phạt nhưng bước nhảy của tham số phạt khi sử dụng kỹ thuật hàm phạt. Những năm gần đây, kỹ thuật tối ưu toàn dải Spectral đã được áp dụng với các bài toán xử lý mảng nhiều chiều [42-44]. Lý thuyết tối ưu Spectral được phát triển trong nhiều bài báo của Steven Orszag bắt đầu từ năm 1969 để giải các phương trình vi phân thông thường, phương trình vi phân từng phần và các bài toán trị riêng liên quan đến phương trình vi phân [16].
Một trong những đặc điểm nổi trội của tối ưu toàn dải Spectral là xác định được giá trị tối ưu toàn cục. Lý thuyết tối ưu Spectral dựa trên việc phân tích trị riêng của ma trận và có ưu điểm giá trị tối ưu tìm được có sai số nhỏ, tốc độ hội tụ nhanh [42, 45]. Do vậy, kỹ thuật tối ưu toàn dải Spectral đã bắt đầu được phát triển và ứng dụng nhiều trong các bài toán có độ phức tạp lớn phù hợp với các mô hình truyền dẫn vô tuyến MIMO đa ăng-ten trong tương lai. Tình hình nghiên cứu trong nước: Một số nhà khoa học ở Việt Nam đã quan tâm đến việc áp dụng các kỹ thuật tối ưu vào các bài toán nâng cao hiệu năng trong mạng truyền dẫn vô tuyến.
Trong đó nổi bật có một số nhóm nghiên cứu: Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội, Học viện Kỹ thuật quân sự, Học viện Bưu chính Viễn thông, Viện Khoa học Công nghệ Quân sự. Cụ thể, tác giả luan an 12 Trần Văn Cảnh, Trần Xuân Nam [1] đề xuất giải pháp lựa chọn chuyển tiếp RS cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO-AF một chiều hai chặng tuyến tính với máy thu sử dụng bộ tách ZF và MMSE, làm việc trên kênh pha-đinh phẳng giả tĩnh. Giải pháp đề xuất chứng minh rằng lựa chọn chuyển tiếp cho phép cải thiện phẩm chất BER một cách đáng kể trong khi độ phức tạp tính toán tăng ở mức chấp nhận được. Đồng thời cũng chỉ rõ, khi tăng số nút tham gia lựa chọn chuyển tiếp thì phẩm chất BER cũng được cải thiện, tuy nhiên độ phức tạp tính toán cũng tăng tuyến tính theo.
Các tác giả Nguyễn Hằng Phương và Phạm Thanh Bình [2] nghiên cứu xây dựng mô hình tổng quát hoá của hệ thống MIMO chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hoá lớp vật lý. Việc sử dụng nhiều ăng ten cải thiện một cách đáng kể về tốc độ truyền dữ liệu nhờ đặc tính phân tập không gian. Tuy nhiên, việc tăng số lượng ăng-ten kéo theo tăng độ phức tạp xử lý, yêu cầu bộ tách tín hiệu ở phía thu đủ tốt để đảm bảo chất lượng BER của hệ thống.