Bài toán đặt ra là từ dữ liệu đƣợc xử lý là chọn một hƣớng phủ sóng của từng trạm BTS sao cho giữa hai trạm không trùng lắp quá a% diện tích, mỗi BTS chỉ phát một hƣớng.. Phần mềm tích h
TỔNG QUAN
Tổng quan về BTS
BTS là trạm thu phát sóng không dây, kết nối các thiết bị di động như điện thoại và thiết bị internet không dây.
BTS thực hiện chức năng thu phát tín hiệu vô tuyến GSM, hoạt động như một modem phức tạp chuyển đổi tín hiệu vô tuyến từ MS thành dữ liệu và ngược lại Vị trí BTS quyết định vùng phủ sóng và dung lượng mạng.
Hình dạng phủ sóng của BTS:
BTS có hình dạng phủ sóng vòng cung, tương tự cánh quạt với hai búp sóng phụ phía sau Mỗi trạm phát sóng theo ba hướng chính (0°, 120°, -120°), bán kính búp sóng chính tối đa 40 đơn vị, trong khi hai búp phụ (từ -90° đến -150° và 90° đến 150°) có bán kính trung bình 15 đơn vị.
Hình 2.1 Hình dạng phủ sóng của BTS
Điện thoại di động phát tín hiệu vô tuyến đến trạm BTS gần nhất Tín hiệu được xử lý và truyền giữa các trạm BTS khác nhau đến trạm BTS gần thuê bao nhận cuộc gọi.
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động
Khu vực nghiên cứu
2.1 Tổng quan về Hà Nội
Hà Nội, trung tâm kinh tế - văn hóa và là đô thị đông dân của Việt Nam, cần hệ thống truyền thông - thông tin hiện đại, đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc của người dân.
Vị trí địa lý nằm trong khoảng từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông
Phía Bắc giáp với tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc
Phía Nam giáp với tỉnh Hà Nam, Hòa Bình
Phía Đông giáp với tỉnh Bắc Giang, Bắc Ninh, Hƣng Yên
Phía Tây giáp với tỉnh Hòa Bình, Phú Thọ
Với vị trí địa lý thuận lợi, thủ đô Hà Nội có cơ hội phát triển về mọi mặt, kể cả lĩnh vực truyền thông
Sau khi mở rộng địa giới hành chính năm 2008, Hà Nội có diện tích 3.332,92 km², trải dài hai bên bờ sông Hồng, nhưng chủ yếu nằm ở hữu ngạn.
Hình 2.3 Dữ liệu về thủ đô Hà Nội
2.2 Hiện trạng đối tƣợng nghiên cứu tại khu vực
Hà Nội hiện có khoảng 5700 trạm BTS (tính đến 29/4/2014), trong đó gần 1200 trạm được chia sẻ cơ sở hạ tầng giữa các nhà mạng hoặc thuê từ các công ty xây dựng Viettel, Mobifone, VinaPhone, Vietnam Mobile và G-mobile là các nhà mạng đang vận hành trạm BTS, với Viettel, Mobifone và VinaPhone chiếm số lượng lớn nhất.
Bảng 2.1 Bảng thống kê một số khu vực hành chính từ dữ liệu thu thập được về hệ thống BTS Viettel tại Hà Nội
Diện tích (km 2 ) và tỉ lệ trạm/km2
Ba Đình 105 9.22; tỉ lệ: 11.38 trạm/km2
Cầu Giấy 119 12.04; tỉ lệ: 9.88 trạm/km2 Đông Anh 61 182.30; tỉ lệ: 0.33trạm/km2 Đống Đa 131 9.96; tỉ lệ: 13.15trạm/km2
Sơn Tây 30 113.47; tỉ lệ: 0.26trạm/km2
Cở sở lý thuyết
Phân tích không gian sử dụng phép toán để sắp xếp dữ liệu và thuộc tính liên quan, giải quyết các vấn đề cụ thể như nhận diện vùng an ninh cao, lập kế hoạch sửa đường hay tìm vị trí kinh doanh tối ưu Các phép toán không gian được ứng dụng tuần tự, với kết quả của phép toán này làm đầu vào cho phép toán khác Chọn phép toán và trình tự áp dụng phù hợp là yếu tố then chốt trong phân tích không gian hiệu quả.
Xử lý thông tin không gian trong GIS là bước thiết yếu để chuẩn bị dữ liệu cho việc hiển thị và phân tích không gian hiệu quả.
Hai nhóm phương pháp xử lý:
Phân tích đơn lớp: đề cập đến chức năng áp dụng mỗi lần một lớp dữ liệu
Bài viết này phân tích dữ liệu đa lớp bằng phương pháp phân tích đơn lớp, bao gồm các thủ tục cụ thể.
Thủ tục xóa (erase): Bỏ đi phần giao giữa lớp đầu vào (input) và lớp clip Kết quả là ta đƣợc phần đầu vào
Hình 2.4 Thủ tục erase trong phân tích đơn lớp
Tạo vùng đệm (buffer): Tạo lớp vùng đệm với khoảng cách cho trước Kết quả đầu ra là vùng đồng khoảng cách
Chiều rộng vùng đệm là hằng số, áp dụng đồng loạt cho mọi đối tượng hoặc tùy thuộc thuộc tính cụ thể.
Hình 2.5 Ảnh minh họa tạo vùng đệm không gian
Một đồ thị có hướng G=(X, U) được định nghĩa bởi:
Tập hợp X ≠ ∅ đƣợc gọi là tập các đỉnh của đồ thị;
Tập hợp U là tập các cạnh của đồ thị;
Mỗi cạnh u∈U đƣợc liên kết với một cặp đỉnh (i, j) ∈ X2
Hình vẽ bên là minh họa hình học của một đồ thị có:
Ánh xạ φ định nghĩa gồm:
u1 và u2 liên kết với cặp (A, B)
Hình 2.6 Đồ thị có hướng
Đồ thị vô hướng G = (X,E) được định nghĩa là không phân biệt thứ tự các đỉnh liên kết với mỗi cạnh.
Tập hợp X ≠ ∅ đƣợc gọi là tập các đỉnh của đồ thị
Tập hợp E là tập các đỉnh của đồ thị
Mỗi cạnh e ∈ E đƣợc liên kết với một cặp đỉnh {i, j} không phân biệt thứ tự
Hình vẽ dưới là minh họa hình học của một đồ thị có
Ánh xạ φ định nghĩa gồm:
u1 và u2 liên kết với cặp (A, B)
Một số từ ngữ và quy ƣớc:
Khi một cạnh u liên kết với cặp đỉnh (i, j):
Cạnh u kề với đỉnh i và j( hay nói đỉnh i và đỉnh j kề với cạnh u)
Ta có thể nói u=(i, j), nhƣ vậy có lúc ta viết u=(i, j) và v=(i, j) nhƣng lại hiểu u
Nếu đồ thị vô hướng, ta nói hai đỉnh i và j được nối với nhau Nếu đồ thị có hướng, ta nói đỉnh i được nối với đỉnh j
Trong đồ thị có hướng, cạnh nối từ đỉnh i đến đỉnh j được gọi là cạnh đi ra khỏi đỉnh i và đi vào đỉnh j.
Hình 2.7 Đồ thị vô hướng
3.2.2 Tập bền vững trong (independent set)
Tập bền vững (hay tập độc lập) trong đồ thị là tập hợp các đỉnh không kề nhau Kích thước tập độc lập là số đỉnh của tập đó Một đồ thị chứa nhiều tập độc lập với kích thước khác nhau.
Hình 2.8 Ảnh minh họa tập bền vững trong (Independent set)
Theo ví dụ trong ảnh, tập bền vững trong là một tập hợp các điểm màu xanh
3.2.3 Tập bền vững trong cực đại (Maximum Independent set)
Trong đồ thị G, tập bền vững cực đại là tập bền vững có số phần tử lớn nhất Tìm tập bền vững cực đại là bài toán NP-khó, thuộc lớp bài toán tối ưu hóa phức tạp.
Ta xét ví dụ sau, cho một đồ thị G có dạng:
Hình 2.9 Ví dụ về Maximum Independent set
Ta có các tập độc lập đƣợc liệt kê trong bảng sau:
Bảng 2.2 Tổng hợp các phần tử độc lập
Vậy ta có hai tập I 2 và I 5 là tập Maximum Indepent set
3.3 Phép biến đổi trong không gian hai chiều
Phép biến đổi hai chiều ánh xạ điểm P trong mặt phẳng thành điểm Q theo một quy luật cụ thể, được biểu diễn bằng phương trình biến đổi tọa độ của P thành tọa độ của Q.
Trong khuôn khổ đề tài, chúng ta chỉ khảo sát các phép biến đổi affine
Một phép biến đổi affine hai chiều (2D) có tên T sẽ biến điểm P(P x , P y ) thành Q(Q x ,Q y ) theo hệ phương trình sau:
Q y = bP x + dP y + tr y Viết dưới dạng ma trận, ta có:
) + (tr x ,tr y ) Hay ở dạng rút gọn hơn là : Q = PM + tr
Phép biến đổi affine, với ma trận M = ( ) và a*d ≠ b*c (tránh suy biến), là phép biến đổi tuyến tính kết hợp với phép tịnh tiến vector tr = (trx, try) Điểm Q = (Qx, Qy) biến đổi từ điểm P = (Px, Py) thông qua ma trận M và vector tịnh tiến tr.
Phép biến đổi affine là sự kết hợp của bốn phép biến đổi cơ bản: tịnh tiến, tỉ lệ, quay và biến dạng.
Trong phạm vi của đề tài này, ta chỉ ứng dụng phép Quay
Phép quay quanh gốc tọa độ:
Lúc này vector offset tr = 0 và Q = T(P) có dạng:
Q y = P x * sin(α) – P y * cos(α) Giá trị dương của góc α được xác định theo ngược chiều kim đồng hồ
Ma trận M trong trường hợp này là:
Hình 2.10 Phép quay quanh gốc tọa độ một góc α
Phép quay quanh một điểm:
Phép làm cho điểm P(P x , P y ) quay quanh điểm V(V x , V y ) thành Q(Q x , Q y ), đƣợc xây dựng từ những phép biến đổi sau:
Tịnh tiến (-V x , V y ) (Đưa về trường hợp quay quanh gốc tọa độ), ta được hai điểm P ’ và Q ’
Quay góc α quanh O (gốc tọa độ)
Tịnh tiến (V x , V y ) về lại vị trí cũ
Ta có công thức biến đổi:
Q = (P – tr)M + tr Hay: (Q x , Q y ) = (P x , P y )M + (1 - M)tr Trong đó: tr = (V x , V y )
Hình 2.11 Phép quay quanh một điểm V một góc α
SQL là ngôn ngữ lập trình dùng để tương tác với hệ quản trị cơ sở dữ liệu (HQTCSDL), hỗ trợ người quản lý thực hiện các thao tác dữ liệu như thêm, xóa, sửa Ngày nay, SQL được mở rộng, đặc biệt là khả năng truy vấn dữ liệu không gian, đáp ứng nhu cầu trực quan hóa dữ liệu ngày càng tăng.
Tình hình nghiên cứu
Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra rằng, việc xây dựng trạm BTS tại Việt Nam thường không tuân thủ đúng tiêu chuẩn khoảng cách đặt trạm, do công tác nghiên cứu thường được tiến hành sau khi xây dựng.
Nhiều bài báo cáo về ứng dụng GIS để quy hoạch quản lý:
Vincenzo Barrile tại Ý đã sử dụng GIS và các thuật toán không gian 3D để tối ưu hóa quy hoạch vị trí trạm BTS (Base Transceiver Station) mạng di động đô thị, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành.
Nghiên cứu của Kuboye B M., Dada O.A., và Akinwonmi F.C tại Thụy Sĩ ứng dụng GIS để giám sát vị trí trạm gốc GSM, tập trung vào việc thu thập và trực quan hóa dữ liệu quản lý trạm BTS.
SunZou, a Chinese company, utilizes ArcGIS to manage extensive base station information within a GIS-based system This facilitates efficient, visually intuitive spatial data analysis and assessment.
Việc xây dựng trạm BTS ngày càng nhiều góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống, song vẫn tồn tại những bất cập về vị trí đặt trạm Ứng dụng GIS mang lại giải pháp hiệu quả cho vấn đề này thông qua nhiều dự án cụ thể.
Nghiên cứu của TS Đoàn Bảo Hùng (2011) ứng dụng GIS kết hợp công nghệ thông tin, lý thuyết đồ thị và phương pháp quy hoạch đô thị để quản lý hạ tầng cáp viễn thông ngầm và quy hoạch trạm BTS tại Huế Ứng dụng này nâng cao hiệu quả quản lý sử dụng chung đường cáp của nhiều nhà mạng và chia sẻ thông tin ngành.
Công ty cổ phần công nghệ thông tin địa lý eK ứng dụng WebGIS quản lý cơ sở hạ tầng bưu chính viễn thông Quảng Ninh, hỗ trợ quy hoạch mạng lưới, cấp phép và chia sẻ thông tin giữa các doanh nghiệp.
Đào Minh Tâm đã phát triển hệ thống quản lý hạ tầng Bưu chính – Viễn thông ứng dụng GIS, trình bày tại hội thảo toàn quốc Hệ thống, dựa trên ArcEngine và SQL Server 2008, hỗ trợ thiết kế mạng lưới, giám sát, quản lý cơ sở hạ tầng và khách hàng.
Tổng quan về phần mềm sử dụng trong đề tài
PostgreSQL, hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ và đối tượng với hơn 20 năm lịch sử từ Đại học California, Berkeley, đảm bảo tuân thủ cao chuẩn ANSI-SQL 92/99 và tính ACID.
PostgreSQL hỗ trợ phần lớn tiêu chu n SQL và đƣa ra nhiều tính năng hiện đại:
Các truy vấn phức tạp
Các khóa phụ (foreign keys)
Tính toàn vẹn của giao dịch
Kiểm soát đồng thời nhiều phiên bản
Hơn nữa, PostgreSQL có thể được người sử dụng mở rộng theo nhiều cách thức, ví dụ bằng việc bổ sung thêm mới
các hàm tổng hợp (aggregate functions)
các phương pháp đánh chỉ số
các ngôn ngữ thủ tục
PostgreSQL sở hữu giấy phép mã nguồn mở, cho phép sử dụng, sửa đổi và phân phối tự do, miễn phí cho mọi mục đích: cá nhân, thương mại hoặc học thuật.
5.1.2 So sánh Postgresql và các HQTCSDL khác
Bài viết so sánh PostgreSQL với các hệ quản trị cơ sở dữ liệu khác, giúp đánh giá ưu, nhược điểm của PostgreSQL về khả năng tương thích hệ điều hành và các yếu tố khác Việc so sánh này cung cấp cái nhìn tổng quan hữu ích cho người dùng khi lựa chọn hệ quản trị cơ sở dữ liệu phù hợp.
Trang 26 hiệu suất lưu trữ số liệu, so sánh tính năng bảo mật , sự so sánh giữa Posgresql với các HQTCSDLQH nhƣ: DB2, Microsoft SQL Server, Oracle, MySQL
Hệ điều hành hỗ trợ
Bảng 2.3 So sánh tính năng hệ điều hành hỗ trợ
DB2 Có Không Có Có
Microsoft SQL Server Có Không Không Không
MySQL Có Có Có Có
Oracle Có Có Có Có
Postgresql Có Có Có Có
Bảng 2.4 So sánh hiệu suất lưu trữ dữ liệu Độ lớn CSDL tối đa Độ lớn bảng tối đa Độ lớn hàng tối đa
Số cột tối đa cho mỗi hàng
524258 TB 524258 TB Không giới hạn 20000
MySQL Không giới hạn 16 TB 64 KB 4096
Postgresql Không giới hạn 32 TB 1.6 TB 1600
Bảng 2.5 So sánh tính năng bảo mật
Mã hóa mạng có nguồn gốc
Quy định mật kh u phức tạp
Microsoft SQL Server Có Có Có
PostgreSQL, một hệ quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn mở, hỗ trợ đa nền tảng và có khả năng lưu trữ dữ liệu lớn Mặc dù bảo mật không toàn diện như các hệ quản trị thương mại (Microsoft SQL, Oracle, DB2), PostgreSQL vẫn đảm bảo an toàn dữ liệu Vì những ưu điểm này, PostgreSQL được lựa chọn làm hệ quản trị cơ sở dữ liệu cho dự án.
PostGIS, một dự án nghiên cứu của Refraction Research Inc., mở rộng khả năng của cơ sở dữ liệu quan hệ bằng cách hỗ trợ các đối tượng địa lý.
PostGIS mở rộng PostgreSQL, biến nó thành hệ quản trị cơ sở dữ liệu (CSDL) không gian hỗ trợ GIS đầy đủ, kế thừa mọi đặc điểm của CSDL không gian và tích hợp thêm nhiều tính năng khác.
PostGIS supports various geometry data types including Point, Linestring, Polygon, Multipoint, Multilinestring, Multipolygons, and GeometryCollection, all stored as geometric objects.
Cung cấp các toán tử áp dụng trong đề tài:
ST_Difference: trả về phần không giao nhau giữa lớp đối tƣợng A và lớp đối tƣợng B
ST_Geomfromtext: trả về lớp đối tƣợng hình học(geometry)
ST_Buffer: tạo vùng đệm cho đối tƣợng hình học
ST_Rotate: xoay đối tượng theo chiều ngược chiều kim đồng hồ tương ứng với tâm
ArcGIS, dòng sản phẩm GIS của ESRI, có ba cấp độ bản quyền: ArcView, ArcEditor và ArcInfo ArcInfo là phiên bản cao cấp nhất, sở hữu nhiều chức năng và chi phí bản quyền lớn nhất.
ERSI có những sản ph m chủ yếu sau:
ArcGIS gồm các ứng dụng chính ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox
ArcIMS dùng để đƣa dữ liệu GIS lên Web
ArcPad dùng cho các thiết bị Mobile
ArcSDE dùng làm cầu nối truy xuất vào các hệ quản trị cơ sở dữ liệu
ArcExplore dùng truy cập nguồn dữ liệu trên Web
ArcGIS server hỗ trợ các chức năng bên phía server cũng nhƣ triển khai các ứng dụng qua mạng
ArcGIS tích hợp nhiều Extension chuyên dụng, bao gồm phân tích không gian (Spatial Analyst), phân tích 3D (3D Analyst), phân tích mạng (Network Analyst) và các chức năng xử lý dữ liệu, thống kê không gian.
ArcGIS hỗ trợ đọc đƣợc nhiều định dạng dữ liệu khác nhau (khoảng 300 định dạng) nhƣ shapefile, geodatabase, AutoCad, Raster, Coverage,
ArcGIS hiện là phần mềm GIS phổ biến, ứng dụng rộng rãi trong quản lý môi trường, đất đai, xã hội và kinh tế.
ArcGIS Engine là phần mềm desktop cho phép phát triển ứng dụng GIS tùy chỉnh Nó là nền tảng cốt lõi của ArcGIS Desktop, hỗ trợ tạo ứng dụng độc lập hoặc mở rộng ứng dụng hiện có, cung cấp giải pháp không gian cho mọi đối tượng người dùng.
ArcGIS Engine cung cấp API cho COM, NET, Java và C++, kèm theo tài liệu và các thành phần hỗ trợ lập trình viên dễ dàng xây dựng ứng dụng ArcGIS.
Cấu trúc GIS chu n, ArcObjects, trên đó họ phần mềm ArcGIS đƣợc xây dựng
Tiết kiệm chi phí trong khi sử dụng: chỉ một license ArcGIS Engine Runtime hay một ArcGIS Desktop trên một máy
Người phát triển dễ dàng điều khiển trên ActiveX, NET và Java
Ngôn ngữ chu n nhƣ COM, NET, Java, and C++ và nền Windows, Linux, Solaris
Mô hình đối tượng, tiện ích, mẫu và tài liệu cho người pháp triển
Phần mềm tìm tập bền vững cực đại, được phát triển bởi Ashay Dharwadker tại viện toán học Ấn Độ sử dụng ngôn ngữ C++, xử lý dữ liệu ma trận đỉnh để xuất kết quả tương ứng với từng cột.
Hình 2.11 Giao diện phần mềm
Tổng quan về bài toán hỗ trợ vận hành trạm BTS
Bài toán tương đương với việc chọn k BTS (có hướng phát) từ m BTS, mỗi BTS có v hướng phát Với v không đổi, số lượng nghiệm tối đa là tổ hợp chập k của (mv) phần tử Số nghiệm có thể là tổ hợp này.
Với m = 100 BTS, v = 3 hướng và k = 70 BTS được chọn thỏa mãn điều kiện phủ sóng chồng chéo, số lượng nghiệm khả dĩ được tính toán Số BTS được chọn càng nhiều và đáp ứng điều kiện phủ sóng chồng chéo, vùng phủ sóng càng rộng.
Do đó, định hướng bài toán sẽ tìm vùng phủ sóng lớn nhất thông qua việc tìm kiếm tập BTS (bao gồm hướng mỗi BTS) là lớn nhất
6.2 Mô hình hóa bài toán
Bài toán của đề tài thực hiện gồm hai ràng buộc:
Mỗi trạm BTS chỉ được phép chọn một trong ba hướng phát sóng khả dụng, đây là ràng buộc bắt buộc và không thể thay đổi.
Bài toán tối ưu hóa mạng lưới viễn thông gặp ràng buộc về lựa chọn hướng phủ sóng khi nhiều trạm BTS cùng phủ một khu vực Tham số ràng buộc có thể là diện tích phủ sóng, công suất, hoặc số lượng cuộc gọi; tuy nhiên, luận văn này sử dụng diện tích phủ sóng làm tham số chính, giá trị do người quản lý nhập vào.
Hai ràng buộc có thể được mô tả bằng các phương trình
x i,k là BTS thứ i có hướng k, k = {0, 120, -120}
f(x i,k ), f(x j,k ) là diện tích vùng không gian của xi và x j có cùng hướng k
S(f(x i,k ), f(x j,k )) là diện tích vùng chung giữa hai BTS xi và x j
||g(x i,k ), g(x j,k )|| là tiêu chu n diện tích phần chung đặt ra
Mô hình hóa vùng phủ sóng của các trạm BTS thành đồ thị phẳng hai chiều, mỗi đỉnh là một vùng phủ sóng và cạnh là giao điểm giữa các vùng Bài toán tìm tập độc lập cực đại (MIS) được áp dụng để xác định tập hợp các vùng phủ sóng không giao nhau, tối đa hóa số lượng vùng được chọn Tập nghiệm MIS thỏa mãn điều kiện: hai đỉnh kề nhau không cùng thuộc tập, và việc tìm tập nghiệm này dựa trên thuộc tính của chính tập nghiệm đó.
Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu
Mô tả dữ liệu
Dữ liệu nền: shapefile Hà Nội, trong đó chứa thông tin về tên quận/huyện và cột kiểu dữ liệu không gian
Bảng 3.1 Bảng dữ liệu nền
Tên trường của bảng dữ liệu Kiểu dữ liệu Chú giải
Id Serial Mã quận/huyện của Hà Nội
Quan_huyen Character varying Quận/huyện
Ten Character varying Tên quận/huyện geom Geometry(polygon) Chứa thông tin không gian
Bài viết này trình bày dữ liệu vị trí địa lý các trạm BTS, thu thập từ dự án "Ứng dụng WebGIS trong quản lý cơ sở hạ tầng bưu chính viễn thông" của đội ngũ ekgis.
Bảng 3.2 Bảng dữ liệu trạm BTS
The dataset includes columns for link ID (character varying), object ID (integer), and BTS station coordinates (double precision).
Trang 34 vidobts Double precision bản đồ loaitram Character varying Loại trạm
Vitribts Geometry(point) Chứa thông tin không gian
Dữ liệu thông số kỹ thuật:
Bài viết này sử dụng dữ liệu từ dự án "Ứng dụng WebGIS trong quản lý cơ sở hạ tầng bưu chính viễn thông" của ekgis, tập trung vào các thông số kỹ thuật của trạm BTS như bán kính phát sóng và công suất hoạt động.
Bảng 3.3 Bảng dữ liệu về các thông số kỹ thuật
Tên trường của bảng dữ liệu
Kiểu dữ liệu Chú giải
Chieucaoangten double precision Chiều cao của cột BTS
Congsuat double precision Công suất hoạt động của trạm BTS Tansothuphat double precision Tần số thu phát trạm BTS
Tamphusong double precision Bán kính phát sóng của trạm BTS
Đồng bộ dữ liệu
Dữ liệu nghiên cứu chưa được đồng bộ hoàn toàn Việc chuyển đổi bán kính phát sóng từ mét sang độ thập phân (Decimal Degrees) là cần thiết và được thực hiện theo công thức [nếu có công thức, chèn công thức vào đây].
Bán kính chuyển đổi = Bán kính thu thập * 9.7982 / 1100000
Dữ liệu phủ sóng
Bảng dữ liệu này có đƣợc thông qua quá trình xử lý dữ liệu thu thập
Bảng 3.4 Bảng dữ liệu phủ sóng
Tên trường của bảng dữ liệu
Kiểu dữ liệu Chú giải
Bài viết trình bày dữ liệu về tọa độ trạm BTS (kinhđobts, vidobts), điểm A (kinhdo_a, vido_a), điểm B (kinhdo_b, vido_b), và tâm i (kinhdo_i, vido_i) với độ chính xác double precision Dữ liệu bao gồm bán kính phát sóng (bankinh) và hình dạng sóng phát hướng 0 độ (phu_song_0: Geometry(polygon)).
Trang 36 phu_song_120 Geometry(polygon) Sóng phát hướng 120 độ phu_song_am_120 Geometry(polygon) Sóng phát hướng -120 độ
2.1 Nội dung thực hiện đề tài
Thu thập dữ liệu đầu vào: tọa độ địa lý các trạm BTS, bản đồ nền Hà Nội,… và đƣa vào hệ quản trị CSDL Postgresql để quản lý
Ứng dụng SQL không gian để thực hiện việc truy vấn các dữ liệu không gian - địa lý, đồng thời cũng xử lý dữ liệu thu thập đƣợc
Thiết kế phần mềm thực hiện quy trình xây dựng mô hình phủ sóng, mô hình hóa mạng lưới phủ sóng BTS, khung nhìn dữ liệu không gian
Giải toán độc lập cực đại (independent set)
Chọn nghiệm từ kết quả đã giải và hiển thị dữ liệu không gian
Bài toán phủ sóng hai chiều được giải quyết bằng quy trình đề xuất sau, dựa trên phân tích ứng dụng ban đầu.
Bài toán bắt đầu từ việc thu thập dữ liệu m điểm phát sóng BTS, bao gồm tọa độ kinh vĩ độ (lon/lat), bán kính (R), cường độ (W) và cấu hình phát sóng: số lượng hướng và hình dạng sóng.
Bước 2: Xấp xỉ hình học dạng phát sóng
Bước 3: Xây dựng mô hình lớp dữ liệu không gian phủ sóng trên tất cả các hướng của m điểm phát sóng BTS
Bước 4: Mô hình hóa lớp phủ sóng thành đồ thị (graph) với:
Các đỉnh đại diện cho các vùng phủ sóng;
Các đỉnh vùng phủ sóng cùng 1 BTS sẽ kết nối với nhau trong đồ thị;
Các vùng phủ sóng có chung vùng phủ sẽ là các đỉnh có cạnh nối với nhau trong đồ thị;
Bước 5: Giải bài toán tập độc lập cực đại (maximum independent set) cho đồ thị
Bước 6: Chọn nghiệm, ánh xạ sang bản đồ tập nghiệm tìm được ở bước 5
Sơ đồ quy trình thực hiện đề tài
2.3 Chi tiết quy trình thực hiện
Xây dựng mô hình phủ sóng
Giải bài toán độc lập cực đại
Chọn nghiệm và hiển thị không gian
Số lƣợng dữ liệu thu thập là 1682 BTS Viettel Loại BTS đƣợc sử dụng là loại AGISSON DX-890-960-65-18i-0F
Hình dạng sóng phát của BTS (theo loại BTS)
Các thông tin về BTS về: bán kính phủ sóng
Dữ liệu không gian đƣợc thu thập với thông tin kinh vĩ độ
2.3.2 Xấp xỉ hình học dạng phát sóng phủ
BTS có phạm vi hoạt động khác nhau, chia làm 3 loại: phủ sóng tối đa (tốt nhất), thông thường và tối thiểu (tệ nhất) Phạm vi phụ thuộc thời tiết, độ cao, môi trường (bụi, khí thải ) và tuổi thọ BTS Bài viết giả định trường hợp phủ sóng tối thiểu cho Hà Nội do điều kiện môi trường ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sóng.
Với dạng BTS tại Hà Nội đƣợc khảo sát ở phần trên, chúng ta chọn xấp xỉ hình học nhƣ sau đối với vùng phủ sóng (vùng sậm) nhƣ sau:
Từ tâm I, nơi đặt BTS, đến vị trí phát sóng xa nhất có thể chia thành 08 phần bằng nhau (tổng 08 phần là tầm hoạt động của sóng);
Vùng phủ xem nhƣ là một phần cung tròn lớn với tâm i đặt tại điểm cách tâm I một khoảng theo hướng Đông là: ( ) phần, (mỗi phần là bán kính R);
Phần cung tròn được giới hạn bởi hai đường thẳng từ tâm I và lần lượt có góc là
150 độ và -150 độ (nhƣ hình);
Hình 3.1 Xấp xỉ hình học cho vùng phủ sóng
Xấp xỉ hình học bằng hình dạng đơn giản và đường thẳng giúp giảm tải tính toán Chọn trường hợp tầm sóng phủ ngắn nhất (worse case) đảm bảo độ chính xác và nằm trong vùng phủ thực tế Từ tâm I và bán kính R, phương pháp này tính toán các giá trị khác.
Từ tâm i của cung tròn sóng;
Bán kính r của cung tròn tâm i
Vị trí tọa độ chi tiết của tam giác đều IAB, với một đỉnh I và 2 đỉnh thuộc đường tròn tâm I, chắn ở các góc 150 độ và -150 độ
Các bước cụ thể được thực hiện trong quy trình
Từ dữ liệu thu thập sau khi đã đồng bộ, các bước thực hiện được trình bày cụ thể nhƣ sau:
Bước 1: Tạo vùng đệm (buffer) quanh mỗi điểm BTS (tâm I), bán kính mỗi vùng đệm tương ứng với giá trị dòng dữ liệu Kết quả minh họa như hình vẽ.
Hình 3.2 Buffer của từng điểm BTS
Bước 2: Tạo điểm A và B Trong đó, điểm A và B được tạo ra bằng cách:
Điểm A: kinh độ điểm A= kinh độ BTS – bán kính phủ sóng * √ vĩ độ điểm A= vĩ độ BTS – bán kính phủ sóng * 0.5
Điểm B kinh độ điểm B = kinh độ BTS – bán kính phủ sóng * √ vĩ độ điểm B = vĩ độ BTS + bán kính phủ sóng * 0.5
Hình 3.3 Điểm A, B và điểm BTS
Bước 3: Ta tạo Polygon từ 3 điểm polygon vừa tạo được Ở bước này ta dùng toán tử ST_Geomfromtext Kết quả, ta có đƣợc:
Bước 4: Ta tạo điểm i làm tâm của cung tròn thể hiện dạng hình học phủ sóng cho BTS
Kinh độ i = kinh độ của bts + bán kính phủ sóng *
Vĩ độ i = vĩ độ của bts
Hình 3.5 Kết quả tạo điểm i
Bước 5: Tạo buffer cho điểm i
Hình 3.5 Tạo buffer của điểm i
Bước 7: Sử dụng toán tử ST_Difference, tạo vùng phủ sóng riêng biệt cho mỗi trạm BTS trên bản đồ bằng cách loại bỏ phần giao nhau giữa buffer_i và tam giác IAB Mỗi trạm có ba hướng phủ sóng (0, 120, -120 độ), được thể hiện bởi ba cột dữ liệu geometry: phu_song_0, phu_song_120, phu_song_am_120.
Hình 3.6 Điểm BTS và hướng phát sóng 0 o
2.3.3 Xây dựng mô hình lớp dữ liệu không gian phủ sóng trên tất cả các hướng của m điểm phát sóng BTS
Cơ sở dữ liệu không gian về vùng phủ sóng mạng lưới BTS được xây dựng dựa trên quy trình xấp xỉ hình học và các hướng xoay của BTS Việc xây dựng bắt đầu bằng việc xác định hướng ban đầu cho tất cả BTS, sau đó thực hiện phép xoay mà không làm thay đổi hình học vùng phủ sóng.
Tại Hà Nội, trạm BTS có thể được xoay hai hướng: 120 độ và -120 độ (hoặc 240 độ), tùy thuộc vào vị trí phát sóng.
Trang 47 đẳng hướng nên việc định vùng phủ sóng chỉ cần xác định và tính toán đối với một hướng và vùng phủ của hai hướng còn lại sẽ thu được bằng phép xoay hình học như sau:
Tâm xoay: tâm I của BTS;
Góc xoay: và tương ứng với việc xoay 120 độ hoặc -120 độ (240 độ)
Với phép xoay trên, ta có ma trận xoay là (với k=±2 tương ứng với việc xoay 120 độ hoặc -120 độ):
Mô hình hóa mạng lưới phủ sóng BTS
Mô hình mạng phủ sóng BTS được thể hiện bằng đồ thị, sử dụng ma trận kề biểu diễn kết nối Ma trận kề a[i,j] có giá trị 1 nếu đỉnh i và j được nối, ngược lại là 0; đường chéo a[i,i] luôn bằng 0.
2.3.4 Giải bài toán độc lập cực đại trong đồ thị
Bài viết này ứng dụng thuật toán Independent Set (đã trình bày ở Chương 2) để lựa chọn phương án phát sóng tối ưu cho từng trạm BTS.
Thuật toán Independent Set được áp dụng vào ma trận kết quả từ quy trình trước để tìm nghiệm Do có thể có nhiều nghiệm, chỉ một nghiệm được chọn để cập nhật vào bảng dữ liệu.
Hình 3.7 Kết quả giải bài toán tập độc
Ví dụ một kết quả chạy thử nghiệm nhƣ trong hình Trong đó:
Số thứ tự nghiệm 1., 2., 3.,… tương ứng với số dòng, mỗi dòng là một nghiệm
Independent set (27): số cột lấy đƣợc từ ma trận có đƣợc từ quy trình trên, ở đây là 27 cột
1 5 7 11 17 …: số thứ tự các cột ma trận tính từ trái sang
2.3.5 Hiển thị dữ liệu không gian
Chọn ra một nghiệm trong tập nghiệm từ kết quả giải toán để hiển thị lên khung nhìn
Tập nghiệm chứa các phương án khả thi Sắp xếp các thuộc tính đã chọn từ tập nghiệm khả thi giúp tìm ra nghiệm tốt nhất, dựa trên các tiêu chuẩn nghiệm.
Nghiệm có tổng công suất P lớn nhất;
Nghiệm có diện tích vùng phủ lớn nhất;
Nghiệm có tổng khách hàng phục vụ lớn nhất: bằng cách thực hiện việc chồng lớp (overlay) với cơ sở dữ liệu không gian vị trí khách hàng
Phần mềm GIS tích hợp ánh xạ dữ liệu không gian từ các hình phủ BTS lên bản đồ hiển thị trên form (Hình 3.8).