TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG PHƯƠNG PHÁP CHỤP ĐƯỜNG ĐI CHO VIỆC ƯỚC LƯỢNG TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PHÁT SINH Chúng tôi đề xuất phương pháp chụp đường đi sử dụng thuật toán phát sinh để hoàn thành sự tính toán quy mô lớn của việc ước lượng truyền sóng trong thời gian thực tế Chúng tôi miêu tả phương pháp chụp đường cũng như là một sự chứng minh về hiệu quả của nó thông qua mô phỏng số 1 Giới thiệu Trong các hệ thống truyền thông di động, cực kỳ quan trọng để có thể ước l.
TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG PHƯƠNG PHÁP CHỤP ĐƯỜNG ĐI CHO VIỆC ƯỚC LƯỢNG TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN SỬ DỤNG THUẬT TỐN PHÁT SINH Chúng tơi đề xuất phương pháp chụp đường sử dụng thuật toán phát sinh để hồn thành tính tốn quy mơ lớn việc ước lượng truyền sóng thời gian thực tế Chúng miêu tả phương pháp chụp đường chứng minh hiệu thơng qua mô số Giới thiệu Trong hệ thống truyền thông di động, quan trọng để ước lượng truyền sóng vơ tuyến đặc biệt suy hao truyền sóng để đạt công suất thu cho việc thiết kế hệ thống quy hoạc cell Vẫn quy ước, phương trình OkumuraHata sử dụng để ước lượng anten trạm gốc cao tòa nhà xung quanh Phương trình Okumura-Hata sử dụng bốn thơng số: khoảng cách thu phát, tần số, chiều cao anten trạm gốc, chiều cao anten trạm di động; hồn tồn phương pháp dễ để sử dụng Tuy nhiên phương pháp xuất phát từ kết thực nghiệm việc phân tích phép đo liệu có tính thống kê, nên ứng dụng giới hạn sau: khoảng cách thu phát từ – 20km, tần số từ 150 – 1500 Mhz, chiều cao anten trạm gốc từ 30 – 200m, chiều cao anten trạm di động từ – 10m, năm gần đây, với phát triển thiết bị đầu cuối di động (điện thoại di động), mở rộng vùng bao phủ chất lượng cải thiện, anten trạm gốc không cần thiết phải đặt cao tòa nhà xung quanh Mặt khác, tòa nhà cao tầng phát triển vùng, khu đô thị xuất nơi mà nhận từ anten trạm gốc có sẵn bị suy giảm chặn tòa nhà xung quanh trạm Fukiage (trạm gốc mà che phủ trực tiếp tịa nhà cụ thể từ bên ngồi) đặt để mang tòa nhà vào vùng che phủ (hình 1) Trong trường hợp phương trình Okumura-Hata khơng thể áp dụng phương pháp ước lượng mà mang lại đặc điểm địa hình thực tế cần thiết [2], [3] ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG Phương pháp chụp đường sử dụng hiệu cho việc trình diễn mảng đồ họa máy tính 3D (tạo hình ảnh va họa hình) [4] Trong trường truyền sóng vơ tuyến, nhiều năm nghiên cứu sâu vào việc tạo phương pháp thực tế dựa phương pháp chụp đường cho việc tạo phương pháp ước lượng mà phản ánh môi trường thực tế [1] Sự tổng quan phương pháp chụp đường cho việc ước lượng truyền sóng vơ tuyến hình Các sóng vơ tuyến phát từ phát xem tia mà phác họa cách hình học chúng tương tác với đối tượng xung quanh (phản xạ, truyền, nhiễu xạ) trước cuối tới thu Các đặc tính truyền khác (suy hao, thời gian trễ, góc tới) tính tốn sử dụng chiều dài đường đi, góc tới cường độ trường tia phác họa Hình kết ước lượng cho vùng đô thị Shinjuku (tần số Ghz), với kết ước lượng Okumura-Hata Chú ý kết khơng cho vùng có nhiều tịa nhà kết Okumura-Hata Trong kết phương pháp chụp đường tác động tòa nhà vùng ước lượng phản ánh cách mạnh mẽ ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG Khả phương pháp chụp đường để ước lượng đặc tính truyền theo cách thống cho loại khác môi trường đầy triển vọng Tuy nhiên có thỏa hiệp thời gian xác thời gian cân với việc chụp đường giới hạn cao phạm vi khu vực số tịa nhà bố trí cao, số lượng tính tốn u cầu cho ước lượng xác tăng lên nhanh chóng Nhờ có điều mà việc tăng tốc độ tính tốn vấn đề với phương pháp chụp đường ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG Trong báo này, miêu tả phương pháp với thuật tốn phát sinh (GA) [5] áp dụng vào chụp đường đi, giúp thu cải thiện sâu sắc tốc độ xử lý chụp đường Phương pháp gọi phương pháp chụp đường sử dụng thuật toán phát sinh (GA-RT) Tăng tốc trình chụp đường Trong phần mô tả phương pháp làm tăng tốc độ xử lý trình chụp đường Có phương pháp việc tăng tốc q trình xử lý: 1) Tối ưu hóa tính toán, 2) Sử dụng thuật toán tăng tốc, 3) Tính tốn phân tán Chúng ta mơ tả hệ thống sử dụng cho việc tăng tốc trình xử lý, hệ thống gọi hệ thống Urban Macrocell Area Prediction (UMAP), hệ thống tăng tốc phương pháp sau 1) Tối ưu hóa tính tốn Với phương pháp áp giới hạn cho tham số tính tốn dựa kiến thức kinh nghiệm có Điều bao gồm khoảng cách cấu trúc vật lý xem xét số tương tác Nếu mơ hình truyền lan giả thiết thích hợp, việc tính tốn hồn thành mà bỏ qua tia khơng gây ảnh hưởng nhiều đến đặc tính truyền lan, điều giúp giới hạn phần khối lượng tính tốn u cầu hạn chế đến mức tối thiểu ảnh hưởng làm sai lệch kết Phương pháp Sighted-Objects-Based Ray-Tracing (SORT) trình bày hình tương đương với phương pháp sử dụng UMAP Chúng ta sử dụng phương pháp ảnh để giới hạn việc dò tia tới cấu trúc tịa nhà nhìn thấy từ BS MS Giả thiết tia truyền từ BS tới tòa nhà nhìn thấy từ BS, tia sau tới tịa nhà nhìn thấy từ MS cuối tới MS Việc làm giảm đáng kể khối lượng tính tốn số tuyến truyền lan xem xét giảm đáng kể 2) Thuật toán tăng tốc Với phương pháp tối ưu việc dò tia phương pháp ảnh phương pháp phóng tia Về với phương pháp này, việc tính tốn khơng bị làm xấp xỉ, độ xác kết khơng bị làm ảnh hưởng nhiên trình tiền xử lý phải ln thực thi trước dị tia Phương pháp sử dụng UMAP phương pháp tìm kiếm tịa nhà tầm nhìn thể hình Hình phương pháp làm để tạo vùng tìm kiếm xấp xỉ phân chia thành vùng có kích thước ∆L x ∆L x ∆H cho bước tiền xử lý Sau tìm kiếm tịa nhà tầm nhìn tìm kiếm khối có kích thước trước Sử dụng phương pháp ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG nhiều tòa nhà giới hạn sau bước, qua làm tăng tốc độ tính tốn Phương pháp khơng đưa tịa nhà nằm ngồi tầm nhìn, chi tiết phương pháp tham khảo tài liệu [7] 3) Tính tốn phân tán Phương pháp cuối cùng, thể hình 6, phân tán việc tính tốn dị tia cho vài máy tính nối mạng với ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG Với phương pháp khơng có sai lệch kết Hơn điều kiện khơng có nghẽn cổ chai hệ thống mạng, tốc độ tính tốn phương pháp tỷ lệ với số máy tính CPU sử dụng Mặc dù việc xây dựng hệ thống máy tính tốn nhiều chi phí, với phương pháp rõ ràng dễ dự đốn kết Nếu hệ thống server Blade sử dụng hệ thống phân tán, hệ thống tính tốn xây dựng để tiết kiệm không gian.Tác giả sử dụng 25 máy tính blade sử dụng CPU quad-core để xây dựng hệ thống phân tán UMAP Khi so sánh với hệ thống tính tốn GRID , phương pháp tỏ có nhiều hứa hẹn tương lai gần Với phương pháp kể trên, cải thiện đáng kể hệ thống mà ta kỳ vọng 1) Tối ưu hệ thống tính toán Tuy nhiên, đề cập trên, hệ thống cần áp dụng mơ hình truyền lan thơng thường phần lớn mơ hình áp dụng thời điểm xây dựng kiểm nghiệm dựa thực nghiệm Hơn mơ hình truyền lan có tính tảng khơng tồn thời điểm mà ứng với mơi trường khác nhau, mơ hình lại khác Ví dụ, mơ hình truyền lan tốt cho mơi trường nhà ngồi trời khác Với việc cấu hình trạm kiến trúc cell thay đổi hàng ngày hàng giờ, khó để xây dựng mơ hình ảo cần thiết Tuy nhiên nhìn theo chiều hướng khác, thuật toán tự cấu trúc cho mơ hình truyền lan thích hợp với mơi trường cụ thể tốt kết hợp với phương pháp dị tia, mơ hình tối ưu hiệu hồn tồn xây dựng Phương pháp GA_RT mơ tả phần sử dụng thuật toán để tự xây dựng mơ hình truyền lan, nói phương pháp giống việc thú tiến ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG hóa thay đổi mơi trường, tiến hóa mơ hình truyền lan theo thay đổi mơi trường truyền sóng Tối ưu hịa sử dụng thuật toán phát sinh: Phương pháp GA_RT coi ứng dụng phương pháp ảnh để tính tốn việc chụp đường Phương pháp ảnh lựa chọn đường truyền lan cảu tia song từ nguồn tới đích sử dụng kết hợp cạnh bề mặt tịa nhà, Vì mối đường truyền ảnh điểm nguồn ( ảnh điểm đích ) tạo tìm kiếm điểm tương tác Việc chụp đường cuối thực việc kết nối từ nguồn tới đích sử dụng điểm tương tác 3.1 Mơ hình bản: Với GA nhiễm thể định nghĩa với việc hình thành cho dạng mục tiêu khác có tính đơn lẻ cho giá trị cụ thể cho hình thành nằm khoảng sử dụng để giả mang đến cho chúng đa dạng Mỗi tính đơn lẻ thể rõ rệt kết hợp đơn phát sinh tổng tất kết hợp tất thuộc tính đơn lẻ thể Trong tia bám đường truyền tia thể rõ kết hợp bề mặt cạnh tất khả kết hợp số lượng đường truyền tia có khả có mà tính tốn cụ thể Tính đơn lẻ thể GA đường truyền thể phương pháp ảnh hai vấn đề tương tự Nó mang đến cho quan tâm mơ hình nhóm yếu tố đơn lẻ sử dụng GA_RT thể hình ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG Mục đích đưa mơ hình nhóm đơn lẻ tạo đáp ứng bề mặt cạnh , nhiểm thể kết hợp cạnh bề mặt để tạo đường truyền tính đơn lẻ để tạo đường truyền đơn lẻ Một nhóm đơn lẻ nhóm đường truyền kích thước nhóm ( số lượng đường đơn lẻ tạo ) Sau q trình xử lý GA_RT sủ dụng Đầu tiên kết hợp lựa chọn cách ngẫu nhiên từ tất kết hợp bề mặt cạnh chúng định nghĩa nhóm đường truyền khởi tạo ( hệ ) Sau nhóm tia bám theo công suất thu tính tốn Tại khả thích ứng đường đường truyền đơn lẻ đươc xác định công suất thu của tia bám Các đường truyền xếp theo khả thích ứng dán nhãn lại Kết tính tốn cho thấy chúng thỏa mãn điều kiện dừng xác định trước ngược lại khơng thỏa mãn điều kiện nhóm đường truyền xây dựng lại (thế hệ ) cách sử dụng hàm đặc biệt GA hàm lựa chọn, hàm xuyên chéo, hàm biến đổi thể tronh hình Quá trình lặp thực liên tục điều kiện dừng thỏa mãn đặc tính đường truyền mong đợi ( tổng cơng suất thu, trải trễ…) tính tốn kết thúc trình xử lý Tại điều kiện dừng tỉ số tính tốn (tổng số đường tính tốn / tổng số đường truyền có ) vượt giá trị ngưỡng cố định ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG 3.2 Mơ hình chuỗi: Mơ hình chuỗi mơ hình sử dụng GA cách giả thiết có nhiều điểm thu xếp mặt phẳng tính tốn, nói cách khác khu vực tính Sự hoạt động GA phụ thuộc mạnh mẽ vào nhóm đơn lẻ khởi tạo ban đầu, kết với độ xác cao đạt với số lượng nhỏ phép tính tốn Mơ hình chuỗi mơ hình mà nhóm đường truyền cuối từ điểm lân cận gần hoàn tất sớm trình khởi tạo cho đường truyền tiếp sau Điều thể chi tiết hình ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG Đầu tiên q trình tính tốn tính cho điểm thu khu vực tính tốn xác định khoảng cách ∆r điểm thu gần cạnh có ( Tiến trình tính tốn định nghĩa ) Sau điểm thu chia thành loại : - Điểm thu khởi tạo Rx0: Nhóm đường truyền khởi tạo thiết lập cách ngẫu nhiên theo mơ hình - Điểm thu thơng thường Rx : Các nhóm đường truyền khởi tạo thiết lập theo kết tính tốn trước điểm thu bên cạnh gần ( điểm phía trước theo tiến trình tính tốn ) Tại ∆R ( >=∆r ) khoảng cách điểm thu khởi tạo ∆R = ∆r thiết lập tất điểm thu điểm thu khởi tạo giá trị ∆R = ∞ thiết lập tất điểm thu ngoại trừ điểm thu điểm thu thông thường Lưu ý như tất điểm thu điểm thu khởi tạo mơ hình chuỗi khơng áp dụng trường hợp Vì tỷ số ngưỡng thiết lập cho điểm thu khởi tạo điểm thu thông thường cách tương ứng thiết lập (0) > Quá trính xử lý cho phương pháp GA_RT áp dụng cho mơ hình chuỗi thể hình 10 bên ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page 10 TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG Hiệu việc sử dụng thuật tốn phát sinh Trong chương này, chúng tơi đánh giá hiệu phương pháp GA_RT sử dụng mơ số 4.1 Mơ hình đánh giá Một mẫu phẳng chiều sử dụng để đánh giá Cấu trúc nhiều hành trình sử dụng, tất chắn đứng ( chiều cao vô hạn, bề dày chiều rộng có hạn) đặt khu vực có diện tích 2kmx2km Sự đặt hướng chắn ngẫu nhiên, chắn xác định nhờ mặt mép ( thẳng đứng với chiều cao vơ hạn) 4.2 Các điều kiện tính tốn Cấu trúc ( chắn) coi tạo từ bê tơng ( độ thấm tương đối: 6,76, tính dẫn điện: 0,0023 S/m) có chiều rộng 30m Số mặt sử dụng, M0, 50 ( tổng số mặt mép, M, 150) Các tia vạch thông qua số vô hạn hộp truyền động, lên tới (N) phản xạ nhiễu xạ Chú ý với mô này, “ phản xạ nhiễu xạ liên tục, lặp lại với mặt chắn” không phép xuất Cường độ tiếp nhận tia thu tần số 2GHz 10dB tổn thất truyền động sử dụng hệ số phản xạ Fresnel môi trường lớp lý thuyết hình học đồng dạng nhiễu xạ (UTD), để tính tốn hệ số phản xạ hệ số nhiễu xạ Xem chi tiết [1] hệ số phản xạ Fresnel UTD Tiếp theo giới thiệu điều kiện cho GA Kích thước nhóm đường dẫn đặt Nc=2MN Khi tạo phát điện tiếp theo, lối vào dự trữ dạng phát liên tục Đặc biệt lỗi vào Nc/3 từ phát trước mà có ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page 11 TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG khả thích ứng cao chọn thêm vào lần phát asis 2/3 N lại, lối vào phát sử dụng lối cắt ngang làm giàu từ lỗi vào chọn ngẫu nhiên ( vị trí chỗ cắt ngang chọn ngẫu nhiên) biến đổi ( xác suất xuất hiện: Pm= 0,01) Điều kiện dừng sử dụng tỷ số tính tốn, trình bày trên, giá trị sử dụng tham số cho mô 4.3 Kết Kết sử dụng phương pháp quy ước ( phương pháp tạo ảnh) sử dụng GA_RT ( ∆R = ∞, pth (0)=0,5, pth(0) =0,05), trọng dạng biểu đồ vùng cường độ phản xạ, minh họa tương ứng hình 11 (a) 11 (b) Điểu truyền động, Tx, đặt (0,-500m), với q trình tính tốn bắt đầu (1000m, -1000m) dịch theo trục Y Sự chia tách điểm phản xạ, ∆r, 10m, kết tổng 40.401 số điểm phản xạ Các đường đỏ biểu đồ cho biết vị trí chắn Vùng đánh dấu A hình 11(b) mẫu mạch khơng theo thay đổi mơi trường, nói chung, kết hình 11 cho biết GA_RT gần với thu phương pháp quy ước Việc đánh giá lỗi kết này, giả định kết từ phương pháp quy ước đúng, đưa tỷ lệ trung bình 1.23 dB Đồng thời, tỷ lệ tính tốn trung bình pth (0)=0,5, pth từ 0,05 tới 0,06 ( xem chi tiết [6]) Nếu tỉ lệ lỗi 1,23 chấp nhận , phương pháp GA_RT nhanh 17 lần ( xấp xỉ 1/0,06) so với phương pháp quy ước Kết luận Trong mơ tả phương pháp GA áp dụng thuật tốn di truyền để tính tốn giảm đáng kể thời gian tính tốn Hiệu phương pháp mô số đánh giá kết cho thấy việc giảm thời gian tính tốn nhân tố khoảng 17 lần đạt tỷ lệ lỗi 1,23 dB chấp nhận Phương pháp GA_RT sử dụng kết hợp với phương pháp tối ưu khác Chúng sẵn sàng hoàn thành thực hệ thống UMAP Các vấn đề ∗ tiếp xem xét thực nghiên cứu tham số( 22)để làm cho phương pháp GA_RT làm việc hiệu với UMAP xác minh lại kết ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page 12 TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y Hosoya (Editor): “Radiowave Propagation Handbook, Section 2, Chapter 15,” Realize Corp, 1999 (In Japanese) [2] M Fukushige and T Imai: “A Study on Influence of High-rise Building beside Base Station on Mobile Communication Service Area,” 2007 IEICE General Conference, B-1-9, 2007 (In Japanese) [3] K Kitao and T Imai: “Estimation Model for Received Levels of Incident Waves using Geometrical Optics,” 2007 IEICE General Conference, B-1-8, 2007 (In Japanese) [4] N Chiba and K Muraoka: “Introduction to ray-tracing Computer Graphics, Chapter 3,”Science Inc, 1991 (In Japanese) [5] M Mitchell: “An Introduction to Genetic Algorithms,” Tokyo Denki University Press, 1997 (In Japanese) 6] T Imai: “Estimation model for received levels of incident waves using geometrical optics,” IEICE Transactions (B), Vol.J89-B, No 4, pp 560-575, Apr 2006 (In Japanese) [7] T Imai et al: “A Propagation Prediction System for Urban Area macrocells using Ray-tracing Methods,” NTT DoCoMo Technical Journal, Vol 6, No 1, pp 4151, Jun 2004 ĐỖ HỮU TRỌNG-CB110931 Page 13 ... phương pháp thực tế dựa phương pháp chụp đường cho việc tạo phương pháp ước lượng mà phản ánh môi trường thực tế [1] Sự tổng quan phương pháp chụp đường cho việc ước lượng truyền sóng vơ tuyến. .. phương pháp với thuật tốn phát sinh (GA) [5] áp dụng vào chụp đường đi, giúp thu cải thiện sâu sắc tốc độ xử lý chụp đường Phương pháp gọi phương pháp chụp đường sử dụng thuật toán phát sinh (GA-RT)... ưu hịa sử dụng thuật tốn phát sinh: Phương pháp GA_RT coi ứng dụng phương pháp ảnh để tính tốn việc chụp đường Phương pháp ảnh lựa chọn đường truyền lan cảu tia song từ nguồn tới đích sử dụng kết