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

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO BỘQUỐCPHỊNG VIỆNKHOAHỌCVÀCƠNGNGHỆQNSỰ TRẦNĐÌNHTHƠNG NGHIÊNCỨUNÂNGCAOTỐCĐỘTÍNHTỐNCHOB ÀITỐNTỐITHIỂU CƠNGSUẤTPHÁT TRONGMẠNG TRUYỀNDẪNVƠTUYẾNĐAĂNG-TEN LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT HàNội– 2020 BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO BỘQUỐCPHỊNG VIỆNKHOAHỌCVÀCƠNGNGHỆQNSỰ TRẦNĐÌNHTHƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO TỐC ĐỘ TÍNH TỐNCHOBÀITỐNTỐITHIỂU CƠNGSUẤTPHÁT TRONGMẠNG TRUYỀNDẪNVƠTUYẾNĐAĂNG-TEN Chun ngành: Kỹ thuật điện tửMãsố:9520203 LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT NGƯỜIHƯỚNGDẪNKHOAHỌC: TSDư ĐìnhViên TSLêThanhHải HàNội– 2020 LỜI CAMĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu,kết quảtrongluậnánlàtrungthựcvàchưatừngđượcaicơngbốtrongbất kỳ cơng trình khác.C c d ữ l i ệ u t h a m k h ả o đ ợ c t r í c h d ẫ n đ ầ y đủ HàNội, ngày tháng năm2020 Tácgiảluậnán TrầnĐìnhThơng LỜICẢMƠN Đầut i ê n t ô i x i n c ả m n c h â n t h n h t i h a i t h ầ y h n g d ẫ n k h o a học:TS Dư Đình ViênvàTS Lê Thanh Hảiđ ã t r ự c t i ế p g i ả n g d y , hướng dẫn, tận tình bảo, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận ánnày Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học Côngnghệ Quân Bộ Quốc phòng, Phòng Đào tạo Viện Điện tử tạo điềukiệnthuận lợigiúptơihồnthànhnhiệmvụvàđạt kếtquảmongmuốn Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Điện tử Trường ĐạihọcC ô n g n g h i ệ p H N ộ i n i t ô i c ô n g t c , đ ã t o đ i ề u k i ệ n đ ể t ô i h o n thànhnhiệmvụ Xin cảm ơn chuyên gia, nhà khoa họcv bạn đ n g nghiệp trực tiếp đóng góp nhiều ý kiến q báu, giúp tơi vượt qua khókhăn để hồn thành luận án Cuối xin gửi lời cảm ơn tới thành viên gia đình,những người tạo điều kiện thời gian, vật chất hết lịng chămsóc,độngviênvềtinhthầnđểtơitậptrungnghiêncứuhồnthànhluận án HàNội,ngàyt h n g n ă m 2020 Tácgiả luận án TrầnĐìnhThơng MỤCLỤC Trang DANHMỤCCÁCKÝHIỆU,CÁCCHỮVIẾTTẮT vi DANHMỤCCÁC BẢNG x DANHMỤCCÁCHÌNHVẼ xi MỞĐẦU CHƯƠNG BÀI TOÁN TỐI THIỂU CÔNG SUẤT PHÁT TRONGMẠNGTRUYỀN DẪNVÔTUYẾN ĐAĂNG-TEN 1.1 Tổng quantìnhhìnhnghiêncứu .7 1.2 Vấnđề còntồntại địnhhướngnghiêncứu 16 1.3 Cơsởtoánhọc .17 1.3.1 Hàmlồi 17 1.3.2 Tốiưuhàmphạt 18 1.4 Xây dựng tốn tối thiểu cơng suất phát mơ hìnhphântập 19 1.4.1 Mơhìnhphântập khơnggianMIMO 19 1.4.2 Mơhìnhphântập ăng-tenthu 20 1.4.3 Mơhìnhphântập ăng-tenphát 22 1.5 Một số tốn tối thiểu cơng suất phát mạng truyền dẫn vơtuyến 22 1.4.1 Mơhìnhtruyềndẫntrạmgốcphátquảngbáphântậpăng-tenphát 22 1.4.2 Mơhìnhtruyềndẫncóchuyểntiếpvớiphươngthứcxửlý AF 25 1.6 Mộtsốkỹthuậttối ưu .29 1.5.1 KỹthuậttốiưuSDP 30 1.5.2 KỹthuậttốiưuSDR 31 1.5.3 Kỹ thuậttốiưu Nonsmoothkếthợpvớihàmphạt 32 1.7 Độphức tạptínhtốncủa tốntối ưu 33 1.8 Kếtluậnchương 34 CHƯƠNG NÂNG CAO TỐC ĐỘ TÍNH TỐN CHO BÀI TỐNTỐITHIỂUTỔNGCƠNGSUẤTPHÁT TRẠMGỐC .36 2.1 Bàitốntối thiểucơng suấtpháttrạmgốc 36 2.2 Thiếtlậpbàitốntốiưucơng suấtpháttrạm gốc .39 2.3.Pháttriểnkỹ thuậttối ưuNonsmoothkếthợpvới hàm phạt .42 2.4 Xâydựngthuậttốnmơ .47 2.4.1 Xâydựngthuậttoán tốiưuSDR .47 2.4.2 Xâydựngthuật toán tốiưungẫunhiên .49 2.4.3 Xâydựngthuậttoán tốiưuNSM1 49 2.4.4 XâydựngthuậttoántốiưuNSM2 .50 2.5 Phântíchkếtquả mơ 57 2.6 Kếtluậnchương 65 CHƯƠNG NÂNG CAO TỐC ĐỘ TÍNH TỐN CHO BÀI TỐNTỐI THIỂU TỔNG CÔNG SUẤT PHÁT TRONG MẠNG TRUYỀNDẪNCHUYỂNTIẾP VÔTUYẾNĐAĂNG-TEN 66 3.1 Bài tốn tối thiểu cơng suất phát mạng chuyển tiếp vô tuyếnđaăng-ten 66 3.2 Mơhìnhchuyểntiếpvơtuyếnđaăng-tenvớigiao thứcxử lýAF68 3.2.1 PhươngthứckhuếchđạivàchuyểntiếpAF 68 3.2.2 Cơsởtốnhọcxâydựngbàitốntốithiểutổngcơngsuấtphát .69 3.2.3 Xâydựngbài tốn tối thiểucho mơhình chuyển tiếpđaăngten.713.2.4.XâydựngbàitốntốiưuSDR 74 3.2.5.XâydựngbàitoántốiưuSpectral .75 3.3 Đềxuấtpháttriểnkỹ thuậttối ưuSpectral 79 3.4 Xâydựng thuậttốnmơphỏng 80 3.4.1 Xâydựng thuật toántốiưu SDR .80 3.4.2 Xâydựng thuật toántốiưu SPO1 83 3.4.3 Xâydựngt h u ậ t t o n t ố i u SPO2 84 3.5 Phântíchkếtquả mơ 86 3.6 Kếtluậnchương 93 KẾTLUẬN 95 DANHMỤCCÁCCƠNGTRÌNHKHOAHỌCĐÃCƠNG BỐ 98 TÀILIỆUTHAMKHẢO 100 DANHMỤCCÁCKÍHIỆU,CÁCCHỮVIẾTTẮT x,y XT XH R N ,C N Tích vơhướnghai véc-tơxvày ChuyểnvịmatrậnX BiếnđổiHermitiancủamatrậnX Khônggian véc-tơ sốthựcvà sốphứcNchiều Hệsố phạt  d 2 s 2 r max i 2 i  rank. E. 0  (k) 0    Phương sai nhiễu phía thuPhươngsaitín hiệu Phương sai nhiễu nút chuyển tiếpTrịriêng lớn MứcngưỡngSINRtạingườidùngthứi Cơng suấtnhiễu trắngcộng TíchmatrậnKronecker Hạng ma trậnKỳvọng Chuẩn Frobenius ma trậnHệ số phạt khởi tạo ngẫu nhiênHệsốphạtcủabướclặpthứkHệsố phạt tốiưu Nhiễutại phíathu Véc-tơ ngẫu nhiên không đối xứng phân phối GauxơNhântửlagrange 0 abs(.) Nhântửlagrangecựcđại Giátrị tuyệtđối D Matrậnchéohóa eye(.) Matrậnđơnvị G Matrậnkênhhướngxuống(chuyểntiếp) H Mat r ậ n k ê n h h n g x u ố n g t t r m g ố c x u ố n g đ ế n n g i dùngphía thu hi Véc-tơk ê nh t ru y ền hướnglêng iữa ngườidù ng ph t t h ứ i với nútchuyểntiếp HX Matrậnkênhhướnglên(chuyểntiếp) IN Matrậnđồngnhất INT Nhiễu giaothoa ITEk Bướclặp trungbìnhcủakỹ thuậtNSM1 ITEk2 Bướclặp trungbìnhcủakỹ thuậtNSM2 itemu Sốbướclặpxác địnhhệsốphạt itemu2 Sốbướclặpxác địnhhệsốphạttốiưu itex Sốbướclặpxác địnhgiátrịtốiưucủakỹthuậtNSM1 itex2 Sốbướclặpxác địnhgiátrịtốiưucủakỹthuậtNSM2 L Matrậnkênhhướngxuống(trạmgốc) lj Véc-tơkênhtruyềnhướngxuốnggiữanútchuyểntiếpvới ngườidùngthu thứj M Sốngườidùngphíaphát phíathu N Sốăng-tentại trạmgốc hoặcchuyểntiếp n NhiễutrắngcộngGau-xơ nd Nhiễutạingườidùngphíathu nr Nhiễutạinútchuyểntiếp Pkopt TổngcôngsuấttốiưutheokỹthuậtNSM1 Pkopt2 TổngcôngsuấttốiưutheokỹthuậtNSM2 Pn Công suấtnhiễu Pn(X) Côngsuấtriêngtrênmỗiăng-ten Popt Tổngcôngsuấttốiưut r m gốctheokỹ thuậtSDR Poptsdr TổngcôngsuấttốiưuchuyểntiếptheokỹthuậtSDR Poptspo Tổngcôngsuấttốiưu theokỹthuậtSPO Ps Cơng suấttínhiệu PT Tổngcơngsuấttạitrạmgốc,chuyểntiếp PT(X) Tổngcơngsuấttạinútchuyểntiếp Pw Cơngsuấtkhởitạocủakỹthuậtngẫunhiên Pwlopt Tổngcơngsuấttốiưutheokỹthuậtngẫunhiên R Matrậnxửlýphíathu R,C Tậpsốthực sốphức randn(.) Hàmngẫu nhiên Rh Matrậntươngquankênhhướnglên Rl Matrậntươngquankênhhướngxuống sigd Cơngsuấtnhiễuphíathu sigr Cơng suấtnhiễutại nútchuyểntiếp sigs Cơng suấttínhiệu sqrt(.) Cănbậchai trace(X) VếtcủamatrậnX U Matrậntrựcgiao vec(.) Véc-tơhóamatrận w Véc-tơtrọngsốtốiưucủakỹthuậtngẫunhiên X(:,i) Cộtthứicủa ma trậnX X(i,j) Phầntử thứ (i,j)củamatrậnX Xkopt2 MatrậntrọngsốtốiưucủakỹthuậtNSM2 Xopt Matrậntrọngsốtốiưu y Tínhiệutạingườidùngphía thu yrelay Tínhiệusaukhixửlýtạinútchuyểntiếp yup Tínhiệuthutạinútchuyển tiếp