Thuật toán tối ưu công suất phát cho mạng truyền dẫn vô tuyến đa ăng ten
MỤC LỤC
Mụctiêucủaluậnán
Đề xuất các giải pháp nâng cao tốc độ tính toán cho bài toán tối thiểucông suất phát trong mạng truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten trên cơ sở ứngdụngcáckỹ thuậttốiưu.
Đốitượngvàphạmvinghiêncứu
Số lượng người dùng phía thu lớn hơn số ăng-ten tại trạm gốc và sốlượngngườidùngthu,phát béhơnsốăng-tentạinútchuyểntiếp. Côngsuất tiêu thụtại trạm gốc hoặc nút chuyển tiếp chỉt í n h đ ế n công suất thực hiện xử lý tín hiệu từ các véc-tơ, ma trận trọng số tốiưuđể thựchiện tạobúpcho mỗi ăng-ten.
Nộidungnghiêncứu
Mô hình truyền dẫn vô tuyến đa ăng-ten trạm gốc phát quảng bá đađiểmkhông tính đếnyếutốnhiễuxuyênkênh.
Phươngphápnghiêncứu
Các kết quảcủa luận án là những luận cứ khoa học để áp dụng trong các bài toán thiếtkếvà quyhoạch mạng truyềndẫnvôtuyến thế hệmới.
Bố cụccủaluậnán
Vấnđề còntồntạivà địnhhướng nghiên cứu
Trên cơ sở khảo sát các nghiên cứutrongvà ngoài nước, khi xâydựng các bài toán tối ưu công suất phát có điều kiện ràng buộc cần xét đếnvấn đề: phạm vi ứng dụng của mô hình, các yếu tố ảnh hưởng tới độ phứctạp bài toán, thuật toán sử dụng, mô hình khảo sát, phương thức xử lý sốliệu được hệ thống hóa như hình 1.3. Nếu sử dụng kỹ thuậtSDR thông qua véc-tơ hóa ma trận thì độ phức tạp bài toán sẽ tăng và dẫntớikhóxácđịnhđược công suấtphát tốiưuhoặc tốcđộhộitụchậm.
Cơsở toánhọc 1. Hàmlồi
Thứ hai, bài toán tối ưu tổng công suất cho mô hình chuyển tiếp đaăng-ten có độ phức tạp bài toán tăng khi số ăng-ten thu phát tăng. Trong lĩnh vực tối ưu hóa tổ hợp, phương pháp giản lược Lagrangian(Avriel 1976, Fisher 1981, Reeves 1993) thực hiện giản lược các điều kiệnràng buộc của bài toán tối ưu sử dụng hàm mục tiêu biến đổi nhằm tiến tớivùng hội tụ.
Một số bài toán tối thiểu công suất phát trong mạng truyền dẫn vôtuyến
Cácbàitoántốiưu(1.13)và(1.19)đềuthuộcdạngbàitoánNP-khó.Khiso sánh các bài toán có mô hình đơn nhóm thì các bài toán tối ưu trong môhình đa nhóm sẽ phức tạp hơn do phải xử lý các ma trận và các điều kiệnràng buộc SNR là các hàm không lồi có dạng toàn phương [8]. Tínhiệu được xử lý trong hai giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất, mỗi tín hiệu nhậnđược tại các nút chuyển tiếp từ phía nguồn phát được nhân với ma trậntrọng số và sau đó ở giai đoạn thứ hai các nút chuyển tiếp sẽ truyền các tínhiệusau khi xửlýtới cácngườidùngphíathu.
Mộtsố kỹ thuậttốiưu
Mô hình truyền dẫn chuyển tiếp hai chặng AF chuyển tiếp đa ăng- ten có thể phát triển mở rộng thành trường hợp sử dụng nhiều nút chuyểntiếp đa ăng-ten. Độ phức tạp của bài toán tối ưu có thể là số lượng phép tính (tính cảsố lần truy nhập bộ nhớ, hoặc ghi vào bộ nhớ) nhưng cũng có thể là tổngthời gian thực hiện chương trìnhhoặc dung lượng bộ nhớ cần phải cấp đểchạy chương trình (độ phức tạp về không gian).T h ờ i g i a n máy tínhkhithực hiện mộtthuật toánkhông chỉ phụ thuộc thuật toán mà còn phụ thuộccấu hình của máy tính. Chất lượng nghiệm tìm được của thuật toán: Kết quả tìm được thôngqua các điểm dừng hay nghiệm tối ưu địa phương/toàn cục của hàmmục tiêu.
Kếtluậnchương1
Vấnđề đặt ra cần giải quyết bài toán tối thiểu năng lượng tiêu thụ tại trạm gốcthông qua tối ưu tổng công suất phát của các ăng-ten với điều kiện biênSNR tại các người dùng phía thu lớn hơn một ngưỡng xác định. Bài toánnày có ý nghĩa về mặt khoa học để xác định công suất tiêu thụ tối thiểunhằm gia tăng thời gian hoạt động của trạm gốc trên cơ sở số lượng ăng-tentrangbịkhithực hiện truyềntín hiệu tớingườidùngphía thu. Tuy nhiên,nếu kết quả của ma trận tối ưu có hạng lớn hơn một (thường xảy ra khi quymô bài toán lớn, cả về số lượng ăng-ten và số lượng người dùng) thì điềunày không còn đúng vì không thể trực tiếp phân giải ma trận này thành tíchcủa hai véc-tơ.
Xâydựngthuậttoánmô phỏng 1. Xâydựng thuậttoántốiưuSDR
Thiết lập số vòng lặp ITE cho mỗimức ngưỡng SNR, lựa chọn tham số phạtà0= 0,5 và giỏ trịXtmp=Xoptt ừkỹthuậttối ưu SDR. Bước 3:Thực hiện vòng lặp để xác định tham số phạt trên cơ sở kiểmtrađiềukiệnhàm mụctiêuF.Saumỗivònglặpnếugiátrịtốiưuchưathỏa. Bước 2: Thực hiện chọn giá trị cố định hệ số phạt từ giai đoạn khởi tạovà tiếp tục thực hiện tìm giá trị tối ưu Xkoptgiống bước 3 và bước 4 của giaiđoạnkhởi tạo.
Phântíchkếtquả mô phỏng
Tuy nhiên, khi SNRlớn hơn 4dB thì hiệu quả của kỹ thuật Nonsmooth kết hợp hàm phạt đó thểhiện rừ ưu điểm khi ỏp dụng cho trường hợp bài toỏn cú độ phức tạp tăng.Điều đú cũn được thể hiện rừ ở kết quả của đồ thị hình 2.10 khi tăng sốngười dùng (M = 24). Nhận xét:Qua các kết quả ở mô phỏng 1 đã khẳng định được ưu điểm củakỹ thuật Nonsmooth kết hợp với hàm phạt so với kỹ thuật tối ưu ngẫu nhiênvàtiệmcận với giá trịtốiưucủakỹ thuậtSDR.Đồngthờikỹ thuật tốiưuđề. Cụ thể, từ đồ thị hình 2.14,số bước lặp trung bình của kỹ thuật đề xuất giảm đi 3,5 đến 6 lần vàđ ạ t một giá trị ổn định trong các trường hợp khi mức ngưỡng SNR thay đổi.Bảng 2.12 đã thể hiện tỷ lệ số bước lặp trung bìnhI T E NSM2/ITENSM1g i ữ akỹ thuật NSM2 và NSM1.
Kếtluậnchương 2
Các bàitoántốithiểucôngsuất pháttrong mạngchuyển tiếpv ô tuyến đa ăng-ten có hàm mục tiêu (tổng công suất phát của các nút chuyểntiếp,côngsuấtphátcủatừngnút, côngsuấtphátcủatừngă n g - t e n ) l à những hàm không lồi và rất khó tìm các cực trị khi sử dụng các kỹ thuật tốiưu truyền thống. Hệ thống thông tin dựatrên các chuyển tiếp có thể chia thành hai cách thức chính:Khuếch đại- chuyển tiếp(AF) vàgiải mã-chuyển tiếp(DF). Với việc sử dụng phương thức AF, quá trình truyền dẫn đượcchia thành hai khe thời gian. Trong khe thời gian thứ nhất, nút chuyển tiếpthu tín hiệu từ các người dùng phía phát. Trong khe thời. gian thứ hai,. nútchuyểntiếpsẽkhuyếchđạitínhiệuthuđượctrongkhethờigianthứnhấ tvà sau đó thực hiện gửi tín hiệu này tới tất cả người dùng phía thu. Tín hiệuthu được tại mỗi người dùng phía thu bao gồm tín hiệu từ bộ phát chuyểntiếp và tín hiệu thu được trực tiếp từ các nguồn phát. Kỹ thuật xử lý AFđược sử dụng trong trường hợp thời gian tính toán hoặc công suất của trạmchuyển tiếp bị giới hạn. Trạm chuyển tiếp nhận được tín hiệu đã bị suy haovà cần phải khuếch đại trước khi truyền tiếp tín hiệu tới. cell)vàtạpâmcùngvớitínhiệumongđợi.Điềunàylàmgiảmtỉsốtínhiệu trênnhiễuSINR vàlàmgiảmđộ lợinâng caothông lượng. Tuy nhiên, bài toán (3.31) vẫn là bài toán không lồi với điều kiện rank = 1.Giống như các kỹ thuật tối ưu trong [58] đã sử dụng, điều kiện ràng buộcrank = 1 được kết hợp với hàm mục tiêu khi thực hiện xây dựng bài toán.Kỹthuậttốiưuhàmphạtsửdụngthuậttoánlặpthựchiệngiảmhạngch o.
Xâydựngthuậttoánmôphỏng 1. Xâydựng thuậttoántốiưuSDR
Bước 2:Thiết lập ma trận kênh ngẫu nhiên hướng lên (HX), ma trậnkênhhướngxuống (G),mức ngưỡng SINR (snrt). Bước 2: Xác định giá trị tối ưuXoptthời gian tính toán và số bước lặpgiốngbước 4 ,5,6,7,8 của giaiđoạnkhởi tạo. Bước 2: Xác định giá trị tối ưuXoptthời gian tính toán và số bước lặpgiốngbước 4,5,6,7của giai đoạn khởi tạo.
Phântíchkếtquảmôphỏng
(3.93)Lưu đồ thuật toán giai đoạn khởi tạo củakỹ thuật tối ưu SPO2 được thểhiệnhình 3.7. -Số bước lặp trung bình: Tại bảng 3.4 và đồ thị 3.10 thể hiện số lượngbước lặp trung bình của kỹ thuật SPO1, SPO2 cho mỗi mức ngưỡng SINR.Có thể thấy kỹ thuật đề xuất SPO2 chỉ cần số bước lặp bé hơn 5 và duy trìsố bước lặp trung bình ổn định không quá hơn 5 khi SINR thay đổi từ 2 dBđến 10 dB. Điều đó có nghĩa là số bước lặp trung bình của kỹ thuật tối ưuSPO2đã giảmtừ 46% xuống 79%khi SINR tăng.
Kếtluậnchương 3
Vấn đề tối thiểu tổng công suất phát đối với mô hình phân tập ăng- ten phát:Luận án đã nghiên cứu sử dụng kỹ thuật hàm phạt và thuật toánlặp để xác định được tổng công suất phát tối thiểu đối với hai mô hìnhtruyền dẫn vô tuyếnđa ăng-ten. Các kết quả thu được cho thấy, việc sửdụng kỹ thuật hàm phạt đối với mô hình trạm gốc phát quảng bá không tínhtới yếu tố nhiễu xuyên kênh với việc tính toán tối ưu hệ số phạt thì kỹthuật NSM2 đã cho giátrịtốthơn kỹthuậtNSM1đối các mứcn g ư ỡ n g SNR thay đổi. Đặc biệt khi số người dùng tăng lên thì số bước lặptrung bình của kỹ thuật đề xuất NSM2 giảm đi 3,5 đến 6 lần và đạt một giátrịổnđịnhtrongcáctrườnghợpkhimứcngưỡngSNRthayđổi.Đốiv ớimô hình truyền dẫn vô tuyến chuyển tiếp đa ăng-ten với phương thức xử lýAF, kỹ thuật tối ưu SPO2 đã cho kết quả thời gian tính toán và số bước lặptrung bình giảm so với kỹ thuật SPO1 đối với các mức ngưỡng SINR thayđổi từ 2 dB đến 10 dB.
Hướngpháttriểncủa luậnán
[67] Jie Yang, Ziyu Pan, Hengfei Xu, Han Hu(2019), “Joint Optimization ofPico-Base-Station Density and Transmit Power for an Energy- EfficientHeterogeneousCellularNetwork'',FutureInternet,OpenAccessJour nal. [78] Le Dac Nhuong, Nguyen Gia Nhu (2013), “A novel particle swarmoptimization-based algorithm for the optimal centralized wireless accessnetwork”,InternationalJournalofComputerScienceIssues,vol.1 0,no. [92] X.Gong,S.Vorobyov,C.Tellambura(2011),“Jointbandwidtha n d power allocation with admission control in wireless multi-user networkswithandwithoutrelaying'',IEEETrans.SignalProcessing,v ol.59,no.