Luận án Về một phương pháp mới điều khiển mượng, khóa kênh tần số mạng di động tế bào

BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU ðIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ðỘNG HOÁ HÀ MẠNH ðÀO VÒ MéT PH¦¥NG PH¸P MíI §IÒU KHIÓN M¦îN, KHãA K£NH TÇN Sè M¹NG DI §éNG TÕ BµO Chuyên ngành: Kỹ thuật ðiện tử Mã số :62.52.70.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Thái Quang Vinh HÀ NỘI – 2011 2 LỜI CAM ðOAN Tác giả xin cam ñoan tất cả các kết quả ñược trình bày trong luận án là của riêng tác giả, không sao chép từ bất kỳ một công trình nào khác. 3 LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn và biết ơn sâu sắc nhất ñến Thầy hướng dẫn: PGS. TS. Thái Quang Vinh ñã tận tình dày công hướng dẫn và giúp ñỡ tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy GS. TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh, các Thầy và bạn ñồng nghiệp Viện Nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa; Viện Công nghệ Thông tin ñã giúp ñỡ và tạo ñiều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn Giáo sư Yao- Tien Wang, Trường ðại học Kainan, ðài Loan ñã cung cấp thông tin hữu ích ñể trên cơ sở ñó tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia ñình và những người thân ñã luôn chia sẻ mọi khó khăn cùng tác giả và là chỗ dựa vững chắc về vật chất và tinh thần trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án. Hà Nội, tháng 10 năm 2011 4 MỤC LỤC Lời cam ñoan.........................................................................................................................................................1 Lời cảm ơn..............................................................................................................................................................2 MỤC LỤC.............................................................................................................................................................3 Danh mục các từ viết tắt......................................................................................................................................6 Danh sách hình vẽ.................................................................................................................................................9 Danh sách bảng...................................................................................................................................................11 MỞ ðẦU.............................................................................................................................................................12 Chương 1. TỔNG QUAN MẠNG DI ðỘNG TẾ BÀO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MƯỢN KHÓA KÊNH....................................................................................................................................................20 1.1. Mở ñầu...........................................................................................................................20 1.2. Mô hình mạng di ñộng tế bào ...................................................................................23 1.2.1. Khái niệm tế bào.................................................................................... 23 1.2.2. Kênh, cấp phát kênh, tái sử dụng kênh.................................................. 25 1.3. Quá trình chuyển giao (handoff) ..............................................................................37 1.4. Các thuật toán mượn khóa kênh..................................................................................39 1.4.1. Mượn, khóa kênh................................................................................... 39 1.4.2. Thuật toán mượn, khoá kênh ñơn giản ................................................. 40 1.4.3. Các thuật toán mượn, khóa kênh lai ghép ............................................ 42 1.4.4. Thuật toán thử trực tiếp ........................................................................ 43 1.4.5. Thuật toán cân bằng tải ñộng mượn kênh chọn lọc............................... 43 1.4.6. Thuật toán cân bằng tải ñộng mượn kênh chọn lọc phân tán ................ 45 1.4.7. Thuật toán mượn, khóa kênh thích nghi ................................................ 46 1.5. Nhận xét các thuật toán mượn, khóa kênh ................................................................47 1.6. Kết luận .......................................................................................................................47 Chương 2. MƯỢN, KHÓA KÊNH ðỘNG TRÊN CƠ SỞ BỘ ðIỀU KHIỂN LOGIC MỜ VÀ MẠNG NƠ RON..............................................................................................................................................49 5 2.1. Mở ñầu ........................................................................................................................49 2.2. Thuật toán mượn kênh FDCBS và NFDCBS ......................................................50 2.2.1 Mô hình hệ thống mạng di ñộng tế bào ................................................ 50 2.2.2 Bộ ñiều khiển mượn kênh trên cơ sở logic mờ..................................... 52 2.2.3 Pha ra quyết ñịnh trạng thái tải tế bào .................................................. 53 2.2.4 Pha thỏa thuận với tế bào liên quan...................................................... 60 2.2.5 Sự di chuyển ña kênh............................................................................ 61 2.2.6 Thuật toán mượn kênh NFDCBS ......................................................... 62 2.3. ðánh giá các thuật toán FDCBS và NFDCBS .......................................................65 2.4. Một số cải tiến thuật toán mượn kênh NFDCBS.....................................................66 2.4.1 Sử dụng bộ ñiều khiển ANFIS thay cho bộ ñiều khiển NFC ................ 66 2.4.2 Tối ưu tập luật mờ ANFIS.................................................................... 70 2.5. Kết luận........................................................................................................................73 Chương 2. MƯỢN, KHÓA KÊNH ðỘNG PHÂN TÁN TRÊN CƠ SỞ BỘ ðIỀU KHIỂN NƠ RON - MỜ - SUBSETHOOD.......................................................................................................................75 3.1. Mở ñầu...........................................................................................................................75 3.2. Xây dựng bộ ñiều khiển mượn kênh DDBNFS ........................................................76 3.2.1. Mô hình mạng di ñộng tế bào ............................................................... 76 3.2.2. Bộ ñiều khiển mượn kênh mạng nơ ron mờ-subsethood(DDBNFS) .... 78 3.2.3. Thuật toán ñiều khiển mượn kênh cân bằng tải ñộng phân tán........... 100 3.3. Kết luận .......................................................................................................................102 Chương 4. MÔ PHỎNG, ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..........................................................104 4.1. Mô tả mạng di ñộng mô phỏng..................................................................................104 4.2. Cài ñặt và huấn luyện NFS ........................................................................................107 4.2.1. Cài ñặt bộ ñiều khiển NFS bằng Matlab.............................................. 107 4.2.2. Phát sinh tập dữ liệu huấn luyện và huấn luyện ANFIS, NFS, NFC .. 108 4.2.3. Kết quả huấn luyện ANFIS, NFS, NFC .............................................. 109 6 4.3. Kết quả mô phỏng.......................................................................................................109 4.4. ðánh giá kết quả và so sánh.......................................................................................112 4.5. Kết luận .......................................................................................................................112 KẾT LUẬN.......................................................................................................................................................114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ...................................................................................116 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................................118 PHỤ LỤC..........................................................................................................................................................126 7 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ABC Always Best Connected concept Khái niệm luôn kết nối tốt nhất AC Available Channels Số kênh cho phép ( còn rỗi) AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống ñiện thoại di ñộng AMPS ANFIS Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems Hệ thống suy diễn nơ ron- mờ thích nghi BCO Borrowing with Channel Ordering Mượn với sắp xếp kênh BS Base Station Trạm cơ sở BP Back Propagation Thuật truyền ngược CBWL Channel Borrowing Without Locking Mượn kênh không khoá CD Code Division Phân chia theo mã CDMA Code Division Multiplexing ða truy nhập phân chia theo mã CP-Based- DCA Compact Pattern Based Dynamic Channel Assignment Phân cụm dựa trên gán kênh ñộng CNIR Carrier to Noise plus Interference Ratio Tỉ số công suất sóng mang trên tạp âm và nhiễu. CS Channel Segregation Chia tách kênh DAB/DVB Digital Audio Broadcast/Digital Video Broadcast Kỹ thuật tiếng nói / hình ảnh số mặt ñất DBCL Borowing with Direction Channel Locking Mượn kênh với khóa kênh theo hướng DCA Dynamic Channel Assignment Gán kênh ñộng/Cấp kênh ñộng DBNFS Distributed dynamic channel borrowing based on Neural networks – fuzzy – subsethood Mượn kênh ñộng phân tán trên cơ sở mạng nơ ron mờ- subsethood D-LBSB Distributed-LBSB LBSB phân tán ETSI European Telecommunication Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu EV-DO EVolution-Data Optimized Phát triển – tối ưu hóa dữ liệu ETACS European Total Access Communications System FCA Fixed Channel Assignment Gán kênh cố ñịnh FCM Fuzzy C-Means clustering Thuật toán gom cụm C-Mean mờ 8 FD Frequency Division Phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiplexing Access ða truy nhập phân chia theo tần số FDCBS Fuzzy-based Dynamic Channel- Borrowing Scheme Mượn kênh ñộng trên cơ sở logic mờ FIFO First In First Out Hàng ñợi FIFO FIS Fuzzy Inference System Hệ thống suy diễn mờ FlCA Flexible Channel Assignment Gán kênh linh hoạt FLC Fuzzy Logic Controller Bộ ñiều khiển logic mờ GA Generic Algorithm Thuật gen GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di ñộng toàn cầu GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung ICA Independent Component Analysis Phân tích thành phần ñộc lập IETF Internet Engineering Task Force Nhóm ñặc trách kỹ thuật Internet IMT-A International Mobile Telecommunication- Advance Di ñộng quốc tế nâng cao IMT-2000 International Mobile Telecommunication at 2000 MHz Di ñộng quốc tế hoạt ñộng ở băng tần 2000 MHz IS-95 Interim Standard 95 Chuẩn IS-95 IP Internet Protocol Giao thức Internet JTACS Japanese Total Access Communications System Hệ thống truy cập tổng Nhật Bản LAN Local Area Network Mạng cục bộ LBSB Load Balancing with Selective Borrowing Cân bằng tải với mượn chọn lọc LODA Locally Optimised Dynamic Assignment Strategy Chiến lược gán kênh ñịa phương ñộng LSE Least Square Error Sai số bình phương tối thiểu MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di ñộng MS Mobile Station Thiết bị di ñộng MIMO Multi Input- Multi Output Hệ thống nhiều ñầu vào – nhiều ñầu ra MTSO Mobile Telephone Switching Office Tổng ñài chuyển mạch thoại di ñộng NFC Neural-Fuzzy Controller Bộ ñiều khiển Nơ ron – Mờ 9 NFDCBS Neural-Fuzzy Controller for the Dynamic Channel- Borrowing Scheme Mượn kênh ñộng trên cơ sở bộ ñiều khiển Nơ ron – Mờ NFS Noron- Fuzzy- Subsethood Bộ ñiều khiển mạng nơ ron – mờ - subsethood NMT Nordic MobileTelephone OFDMA Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Access ða truy cập phân chia tần số trực giao OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Mã OVSF PCA Principal Component Analysis Phân tích thaanhf phần cơ bản PDA Personal Digital Assistant Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân PDC Personal Digital Cellular di ñộng cá nhân tế bào số PSTN Post Switch Telephone Network Mạng ñiện thoại chuyển mạch công cộng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RSS Received Signal Strengh Cường ñộ tín hiệu thu ñược RMSE Root Mean Square Error Sai số bình phương trung bình SB Simple Borrowing Mượn kênh ñơn giản SHCB Simple Hybrid Channel Borrowing Scheme Thuật toán mượn kênh lai ghép ñơn giản Subsethood Phép ño subsethood mờ TACS Total Access Communication System Hệ thống truy nhập tổng TD Time Division Phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiplexing Access ða truy nhập phân chia theo thời gian TL Traffic Load Tải lưu lượng TSK Takagi-Sugeno-Kang Model Mô hình TSK xG x Generic Thế hệ x (x=1,2,3,4,5) UMTS Universal Mobile Telephone System Hệ thống di ñộng UMTS UWB Ultra-WideBand Công nghệ không dây UWB WCDMA Wideband Code Division Multiple Access ða truy cập phân chia mã băng thông rộng. WISDOM Wireless Innovative System for Dynamic Operating Mega communications concept Hệ thống phát minh vô tuyến ñể truyền thông Mega ñộng. 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự phát triển qua các thế hệ của mạng di ñộng tế bào .............................................................20 Hình 1.2: Mạng di ñộng tế bào........................................................................................................................23 Hình 1.3: Các phương pháp ña truy cập N kênh cơ bản ...........................................................................26 Hình 1.4: Cách xác ñịnh các tế bào ñồng kênh với tham số shift i=3, j=2.............................................28 Hình 1.5: Nhóm kênh .......................................................................................................................................29 Hình 1.6: Chuyển giao cứng giữa MS và các BS ......................................................................................38 Hình 1.7: Cường ñộ tín hiệu và hiện tượng trễ giữa hai BS liền kề ñể chuyển giao có thể xẩy ra 38 Hình 1.8: Mượn kênh và khoá kênh...............................................................................................................41 Hình 1.9: Phân loại tế bào lạnh, tế bào trung bình, tế bào nóng...............................................................46 Hình 2.1: Mạng tế bào với tế bào hình lục giác ..........................................................................................51 Hình.2.2: Bộ ñiều khiển mượn kênh trên cơ sở logic mờ .......................................................................52 Hình 2.3: a) Hàm liên thuộc số kênh cho phép;b) Hàm liên thuộc tải lưu lượng . .............................56 Hình 2.4: Hàm liên thuộc ñầu ra mờ ............................................................................................................60 Hình 2.5: Bộ ñiều khiển NFC với luật mờ singleton ................................................................................63 Hình 2.6: Hàm liên thuộc hình tam giác .......................................................................................................64 Hình 2.7: a) Hệ thống suy diễn mờ ANFIS; b) Cấu trúc ANFIS .........................................................68 Hình 2.8: Mạng nơ ron huấn luyện tìm hệ số γ của toán tử mờ ...........................................................72 Hình 3.1: Phân vùng mạng di ñộng tối ưu ...................................................................................................77 Hình 3.2: Bộ ñiều khiển mượn kênh ñộng DBNFS .................................................................................78 Hình 3.3: Mờ hoá tín hiệu kênh cho phép AC ............................................................................................80 Hình 3.4: Mờ hoá tính hiệu tải lưu lượng TL .............................................................................................81 Hình 3.5: Các tập mờ ñầu ra với hàm liên thuộc Gauss ..........................................................................82 Hình 3.6: Cấu trúc mạng nơ ron mờ sử dụng subsethood(NFS) ...........................................................83 Hình 3.7: Trường hợp 1: , m C OL k ν =Ck ...........................................................................................................87 Hình 3.8: Trường hợp 2: , m C kOL k Cν > ............................................................................................................88 11 Hình 3.9: Trường hợp 3: , m C kOL k Cν < ............................................................................................................92 Hình 3.10: Cơ chế suy diễn NFS của DBNFS............................................................................................96 Hình 3.11: Thuật toán ñiều khiển mượn, khoá kênh DBNFS ..............................................................101 Hình 4.1: PDF thời gian giữ cuộc gọi ..........................................................................................................110 Hình 4.2: Sai số huấn luyện mạng NFC, ANFIS, NFS .........................................................................111 Hình 4.3: Xác xuất khóa cuộc gọi của các thuật toán khác nhau .......................................................112 Hình 4.4: Xác xuất dớt cuộc gọi của các thuật toán khác nhau .............................................................112 Hình 4.5: Sự phức tạp truyền thông ñiệp của các thuật toán khác nhau ............................................113 Hình 4.6: Thời gian trễ thu kênh của các thuật toán khác nhau ............................................................113 12 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các luật mờ ñể ñiều khiển mượn/cho mượn kênh ..................................................................60 Bảng 3.1: Bảng ñịnh nghĩa giá trị biến ngôn ngữ .......................................................................................81 Bảng 3.2: Mạng ñầu vào và ra của các lớp của NFS .................................................................................84 Bảng 3.3: Bảng luật và ε của NFS 2 ñầu vào, 1 ñầu ra ..............................................................................96 Bảng 4.1: Cài ñặt bộ ñiều khiển NFS bằng Matlab .................................................................................109 13 MỞ ðẦU Hiện nay trên thế giới cũng như trong nước, mạng di ñộng tế bào ñã và ñang phát triển mạnh mẽ, nhất là mạng di ñộng tế bào thế hệ mới 3G và 4G. ðồng thời các nước cũng ñang ñầu tư nghiên cứu phát triển mạng di ñộng thế hệ thứ 5 (5G) [1]. ðặc ñiểm nổi bật của các hệ thống mạng di ñộng thế hệ mới là tốc ñộ truyền dữ liệu lớn, khả năng di ñộng cao và cung cấp các dịch vụ cho người sử dụng ngày càng phong phú hơn. Một bài toán quan trọng xuyên suốt qua mọi thế hệ mạng di ñộng tế bào là làm thế nào sử dụng phổ tần số (kênh) cấp cho mỗi mạng hiệu quả trong ñiều kiện phổ tần số là hạn chế. Từ ñó nâng cao khả năng phục vụ, chất lượng dịch vụ (QoS) của hệ thống mạng di ñộng tế bào. ðiều này ñòi hỏi phải có một chiến lược gán kênh phù hợp [5][6][7]. Bài toán gán kênh là một trong các bài toán quan trọng nhất trong hệ thống di ñộng tế bào. Và nó là một bài toán có ñộ phức tạp theo thời gian mũ (NP-Hard) nên khó tìm ñược lời giải chính xác. Mục ñích của bài toán gán kênh chủ yếu là ñể khai thác khả năng tái sử dụng lại kênh dưới ñiều kiện ràng buộc nhiễu, như nhiễu ñồn