Sự phát triển nhanh số lượng các thiết bị, lưu lượng thông tin vô tuyến và sự khan hiếm phổ tần số trong những năm gần đây đang đặt ra vấn đề cấp thiết cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng phổ trong mạng vô tuyến. Một số giải pháp quan trọng để cải thiện hiệu suất phổ là nhiều sử dụng trang bị nhiều antenna chia sẻ chung tài nguyền vô tuyến, mạng hỗn hợp và kỹ thuật truyền song công. Hơn nữa, việc triển khai số lượng lớn các trạm gốc phục vụ số lượng lớn thiết bị kết nối dẫn đến vấn đề tiêu thụ nhiều năng lượng và tăng chi phí hoạt động. Do đó, tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trong mạng thông tin đang trở thành một hướng nghiên cứu tích cực. Trong các mô hình hệ thống có can nhiễu, tối ưu hiệu suất năng lượng và hiệu suất phổ là bài toán tối phi tuyến, không lồi và tìm nghiệm tối ưu toàn cục của các bài toán này đang là vấn đề mở. Mục tiêu của dự án là đề xuất thuật toán tối ưu hiệu quả để thiết kế khối xử lý tín hiệu thu phát nhằm tối ưu hóa hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng trong mạng thông tin vô tuyến can nhiễu có xét đến đặc tính thực tế của lớp vật lý. Dự án sẽ khai thác các cấu trúc lồi ẩn trong các bài toán thiết kế để đề xuất giải thuật tối ưu hiệu quả tính toán. Hơn nữa, dự án sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo lên hiệu năng của hệ thống và thiết kế giải thuật tối ưu bền vững chống lại sai số thông tin trạng thái kênh. Sau cùng, dự án sẽ thực hiện các mô phỏng để kiểm chứng hiệu năng của thuật toán đề xuất.

Xuất phát từ thực tiễn đó, Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Bách Khoa-Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài PGS.TS Hà Hoàng Kha thực hiện nghiên cứu “Thiết kế khối xử lý tín hiệu thu phát tối ưu hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng trong mạng thông tin vô tuyến nhiều người sử dụng” với mục tiêu: Đề xuất giải pháp tối ưu mới để nâng cao hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng trong mạng thông tin vô tuyến nhiều người sử dụng, mạng nhiều cell hỗn hợp và hệ thống song công. Dự án sẽ đề xuất phương pháp tối ưu hóa để thiết kế bộ thu phát nhằm hạn chế ảnh hưởng can nhiễu, tăng dụng lượng và hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Bài báo [1.1]: Bài báo này nghiên cứu về mạng vô tuyến nhận thức đa antenna phát và đa antenna thu song công có thu thập năng lượng vô tuyến trong đó có xét đến điều kiện kênh truyền không hoàn hảo. Nghiên cứu này đã đề xuất giải pháp tối ưu hóa để cực đại đồng thời hai mục tiêu tốc độ bit đạt được và năng lượng thu thập. Để giải quyết những thách thức cho việc tìm các khối tiền mã hóa phát tối ưu đa mục tiêu với việc đảm bảo bền vững điều kiện ràng buộc can nhiễu cho mạng sơ cấp, nghiên cứu đã khai thác phương pháp Tchebycheff để biến bài toán tối ưu đa mục tiêu thành bài toán tối ưu đơn mục tiêu. Sau đó, chúng tôi sử dụng xấp xỉ của hiệu hai hàm lồi (DC: difference of two convex functions) để phát triển giải thuật lặp tối ưu lồi. Nghiên cứu đã thực hiện chương trình mô phỏng để khảo sát sự tương nhượng giữa tốc độ bit và năng lượng thu thập, đồng thời đánh giá khả năng quản lý can nhiễu bền vững của hệ thống trong điều kiện kênh truyền không hoàn hảo. Bài báo này là sản phẩm của các nội dung 1, 3, 4, 5, 6.

Bài báo [1.2]: Công trình này nghiên cứu về tối ưu công bằng tỷ lệ hiệu suất phổ trong hệ thống massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) không phân cell. Để giải quyết khó khăn trong việc giải bài toán tối ưu không lồi khi thiết kế các bộ lọc thu ở bộ xử lý trung tâm và phân bổ công suất phát của user, nhóm nghiên cứu đã phát triển giải thuật tối ưu sử dụng phương pháp hình chiếu gradient. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng đánh giá và so sánh với các phương pháp khác về hiệu suất phổ, sự công bằng tốc độ đạt được giữa các user. Các kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất có cân bằng tốt giữa tổng tốc độ 8bit đạt được và công bằng tốc độ giữa các users. Bài báo này là sản phẩm của các nội dung 1, 4, 6.

Bài báo [1.3]: Nghiên cứu tối ưu hiệu suất năng lượng trong mạng vô tuyến MIMO hỗn hợp có thu thập năng lượng vô tuyến. Nhóm nghiên cứu đề xuất giải pháp thu thập năng lượng và thu nhận thông tin của các users trong mạng hỗn hợp, và phát triển giải thuật tối ưu để thiết kế tiền mã hóa tín hiệu. Nhóm đã thực hiện mô phỏng đánh giá hiệu suất năng lượng của hệ thống thông tin mạng hỗn hợp có thu thập năng lượng vô tuyến. Bài báo này là sản phẩm của các nội dung 1, 2, 4, 6.

Bài báo [1.4]: Công trình này nghiên cứu về hệ thống MIMO truyền thông tin và thu thập năng lượng vô tuyến đồng thời. Chúng tôi đề xuất chiến lược chọn users thu thập năng lượng và users thu nhận thông tin. Chúng tôi nghiên cứu thiết kế tiền mã hóa tín hiệu để tối ưu đa mục tiêu của tốc độ bit và năng lượng thu thập. Nghiên cứu đã phát triển giải thuật tối ưu lặp luân phiên bằng cách khai thác sự liên hệ giữa tốc độ bit đạt được và sai số bình phương trung bình tối thiểu. Sau cùng, các kết quả mô phỏng số được thực hiện để đánh giá sự đánh đổi giữa tốc độ bit và năng lượng thu thập. Bài báo này là sản phẩm của các nội dung 1, 4, 6.

Bài báo [3.1]: Công trình này nghiên cứu về mạng vô tuyến nhận thức MIMO song công trong điều kiện thông tin trạng thái kênh từ mạng thứ cấp đến sơ cấp là không hoàn hảo. Nghiên cứu tập trung thiết kế tiền mã hóa tín hiệu để tối ưu tốc độ bit của mạng thứ cấp trong khi vẫn đảm không gây can nhiễu đáng kể cho các users mạng sơ cấp trong điều kiện thông tin trạng thái kênh không chắc chắn. Các kết quả mô phỏng đã thực hiện để đánh giá hiệu suất phổ của mạng thứ cấp và ảnh hưởng can nhiễu lên mạng sơ cấp. Bài báo này là sản phẩm của các nội dung 1, 3, 4, 5, 6.

Bài báo [4.1]: Công trình này nghiên cứu tối ưu tốc độ bit của hệ thống MIMO song công đa người dùng. Nhóm nghiên cứu đã phát triển phương pháp hình chiếu gradient và quy tắc Armijo để đảm bảo giải thuật hội tụ. Nghiên cứu cũng thực hiện mô phỏng đánh giá hiệu suất phổ đạt được của hệ thống MIMO song công bằng giải thuật đề xuất và so sánh với hệ thống bán song công. Bài báo này là sản phẩm của các nội dung 1, 3, 4, 6.

Bài báo [4.2]: Bài báo này nghiên cứu tối ưu hiệu suất năng lượng trong kênh đường xuống của mạng hỗn hợp trong đó các thiết bị được trang bị nhiều antenna thu phát. Mục tiêu chính 9 của nghiên cứu này là phát triển giải thuật thiết kế tối ưu tiền mã hóa để tối đa hiệu suất mạng của hệ thống trong điều kiện ràng buộc công suất phát ở từng antenna và giới hạn mức can nhiễu ở các user trong cell lớn. Bằng cách khai thác phương pháp luân phiên khối và Dinkelbach, một giải thuật tối ưu lặp đã được phát triển. Chương trình mô phỏng đánh giá hiệu suất năng lượng của mạng hỗn hợp đã được thực hiện. Bài báo này là sản phẩm của các nội dung 1, 2, 4, 6.

Tính mới, giá trị khoa học: Các kết quả nghiên cứu trên tập trung vào vấn đề tối ưu hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng trong các hệ thống MIMO, mạng hỗn hợp, và hệ thống song công. Các công trình nghiên cứu có tính mới và giá trị khoa học trong việc phân tích và xây dựng mô hình hóa hệ thống thông tin vô tuyến với các điều kiện thực tế và đề xuất các thuật toán tối ưu hiệu quả nhằm cải thiện hiệu suất phổ hoặc hiệu suất năng lượng của hệ thống so với các phương pháp truyền thống.

Giá trị thực tiễn và khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu: Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào phân tích và đánh giá tốc độ bit, hiệu suất sử dụng năng lượng, và thu thập năng lượng liên quan đến kỹ thuật MIMO, kỹ thuật truyền song công và mạng hỗn hợp trong các hệ thống thông tin hiện đại. Các giải thuật tối ưu có khả năng ứng dụng trong thiết kế các kỹ thuật thu phát trong hệ thống thông tin vô tuyến nhằm đạt tối đa hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng. Các 10 chương trình mô phỏng cho phép phân tích, đánh giá và lựa chọn mô hình phù hợp trong khi thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến để tiết thời gian và chi phí.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17702/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)