Mạng tự tổ chức và ứng dụng

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Nhật Thăng

Phản biện 1:

-Phản biện 2: -.- cccc72

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngà năm 2015

Có thê tìm hiệu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây ngành công nghiệp truyền thông trải qua

những thay đổi to lớn và nó sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai Hệ thống truyền thông phải chịu áp lực lớn do sự bùng nỗ về băng thông ứng dụng

như chia sẻ hình ảnh, video, tập tin đa phương tiện Sự gia tăng sử dụng dữ

liệu, nhiều mạng dày đặc và phức tạp, quy hoạch và bảo dưỡng càng ngày

càng phức tạp hơn trong các mạng truy nhập vô tuyến Sự phức tạp trong việc xử lý phân cấp tô chức va sử dụng tài nguyên trong các mạng Luôn

luôn có những lỗi phát sinh trong mạng và nó cần được khắc phục sớm Trong phương pháp sử dụng, lỗi của con người sẽ dẫn đến việc phải khắc

phục và thời gian sửa lỗi nhiều dẫn đến dịch vụ không tối ưu hay không có dịch vụ Cần có một giải pháp để hạn chế những khó khăn về mặt công

nghệ trên với mục tiêu là:

- Tang cường sử dụng tài nguyên, đơn giản hóa việc quan ly mang

- _ Giảm thiêu hóa chi phí vòng đời trong vận hành mang bằng việc hạn chế quá trình cấu hình thông thường của thiết bị khi triển khai, cho

phép xuyên suốt quá trình tối ưu tự động của mạng vô tuyến, giảm

thiểu tối đa chỉ phí và giá cung cấp các dịch vụ không dây

- Tối ưu hóa sử dụng năng lượng giúp tiết kiệm chi phí nhưng van đảm bảo tối ưu vùng phủ sóng, chống nhiễu đảm bao chất lượng dịch

- Giảm chi phí vốn bằng cách tối ưu việc sử dụng nguồn lực có san - Bao vệ doanh thu bằng cách giảm số lượng lỗi của con người

- Cân băng tải tự động và bảo hiểm/hiệu suất tối ưu hóa - Pam bảo sự tin cậy trong việc trao đổi thông tin

Đáng chú ý trong các kỹ thuật được đầu tư nghiên cứu để giảm bớt

những hạn chế, khó khăn về mặt công nghệ là mạng tự tổ chức (SON), đây là kỹ thuật tiên tiến của mạng tự tổ chức giúp giải quyết các khó khăn gặp

phải Mạng tự tổ chức (SON) là một công nghệ tự động hóa thiết kế để

thực hiện các kế hoạch, cấu hình, quản lý, tối ưu hóa và chữa lành các mạng truy nhập vô tuyến di động đơn giản và nhanh hơn Bằng cách này,

các mạng tự tô chức cho phép các mạng dé tự thiết lập và sau đó quản lý các nguồn tài nguyên dé cho phép hiệu suất tối ưu dé đạt được ở tất cả các

lần Chức năng và ứng dụng của mạng tự tổ chức đã được xác định và được quy định trong nghị ngành công nghiệp điện thoại di động được chấp nhận chung của các tổ chức như 3GPP và NGMN Nhờ có các chức năng và kỹ thuật tiên tiến của mạng tự tổ chức đã giúp giải quyết các khó khăn

gap phải khi phát triển mạng lưới truyền thông.

Từ các van đề trên em lựa chọn dé tài nghiên cứu “Mang tu tổ chức

và ứng dụng” nhằm tìm hiểu các lợi ích ma mạng tự tô chức mang lại cho

mạng lưới truyền thông.

Luận văn được chia thành nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan về mang tự tổ chức (SON): giới thiệu về

mạng tự tô chức, các cấu trúc và chức năng của mạng tự tổ chức.

Chương 2: Ứng dụng của mang tự tổ chức trong mạng cảm biến

không dây (WSN): Chương này giới thiệu về mạng cảm biến không dây

va ứng dụng của mang tự tổ chức trong mang cảm biến không dây, các lợi

ích mà mạng tự tô chức mang lại khi ứng dụng nó.

Chương 3: Ứng dụng của mạng tự tô chức trong mạng truy nhập vô tuyến: Chương này giới thiệu về mạng truy nhập vô tuyến và ứng dụng

của mạng tự tổ chức trong mạng truy nhập vô tuyến, các lợi ích mà mạng

tự t6 chức mang lại khi ứng dung nó.

Kết luận: Trong phần này đưa ra những kết luận vấn đề làm được trong luận văn và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

Học viên hy vọng luận văn có thể là một tài liệu tham khảo tiếng Việt có giá trị cho những người bắt đầu tìm hiểu và nghiên cứu về mạng tự

tổ chức (SON) và các ứng dụng của nó.

Chương 1: TONG QUAN VE MẠNG TU TO CHỨC (SON)

Mang tự tô chức (SON) là một hệ thống có kha năng hỗ trợ các chức năng

tự vận động (self-x), ví dụ như tự cầu hình, tự tối ưu, tự phát hiện và sửa lỗi từ đó giảm thiểu tác động cần thiết của con người trong quá trình triển

khai, vận hành hệ thống.

1.1 Động lực và mục tiêu NGMN

Giảm chi phí và độ phức tạp là một động lực chính cho Term

Evolution Long (LTE), kế từ khi triển khai lớp mạng mới cần phải cùng

tồn tại với các hệ thống có san mà không cần thêm chi phí vận hành Vì vậy, nó là mỗi quan tâm quan trọng cho các nhà khai thác dé giới thiệu kỹ

thuật tự động chức năng để giảm thiểu chi phí hoạt động (OPEX), đồng thời tăng hiệu suất mạng bằng cách tự động điều chỉnh các cấu hình hệ

thống với tính chất khác nhau của các mạng di động không dây.

1.2 Các cầu trúc của mạng tự tô chức

1.2.1 SON tập trung (CSON)

SON tập trung (CSON) có khả năng nhận biết được các thông tin tồn tại tại trung tâm của mạng CSON có thể cấu hình lại các khía cạnh của

mạng mà có ít thay đôi tại từng vị trí Các thuật toán của SƠN được triển

khai trên hệ thống quản lý các phần tử (EMS) quản lý một hay nhiều khu vực hoặc trên hệ thống máy chủ SON riêng biệt đối với các trạm thu phát sóng Đầu ra của các thuật toán SON là giá trị các tham số cụ thể của mạng

lưới sẽ được chuyển đến các trạm thu phát theo chu kỳ hoặc ngay khi các

trạm thu phát cần Cho phép tương tác giữa các thuật toán SON của nhiều trường hợp sử dụng trước khi quyết định thay đổi các tham số của SON.

1.2.2 SON phán tan (DSON)

SON phan tán (DSON) được đặc trưng bởi việc thực hiện thuật toán

hoặc kha năng thu thập thông tin tại từng thiết bi mạng Việc thay đổi tham số của eNodeB dựa vào việc đo kiểm thiết bị người dùng (UE) trên chính

eNodeB hoặc từ các eNodeB khác qua giao diện X2 Vì vậy quá trình triển

khai phức tạp, khó khăn trong việc hỗ trợ các quá trình tối ưu hóa phức tạp và đòi hỏi sự phối hợp của nhiều các eNodeB_ Cấu trúc nay cho phép loại

bỏ hoặc triển khai trên các mạng dùng nhiều chúng loại thiết bị và tối ưu

hóa nhanh hơn Tuy nhiên cần hết sức can thận trong việc giám sát các tham số kỹ thuật của mạng lưới Đối với SON phân phối, giao diện X2 cần

được mở rộng.

1.2.3 SON hỗn hợp (HSON)

Khi các mạng RAN tiễn lên 5G, khả năng điện toán đi động (MEC-Mobile Edge Computing) sẽ được chuẩn hóa Điều này sẽ mở ra việc phân phối các ứng dụng DSON cho bên thứ ba ngoài NEMs Tại thời điểm nay,

sẽ có một sự chuyền tiếp đến SON mang nhiều tính lai hơn (HSON) Thuật toán SON triển khai trên hệ thống quản lý phần tử áp dụng cho một phần mạng, trong khi phần mạng khác sẽ áp dụng thuật toán SƠN tại các

eNodeB Trong SON hỗn hợp phương án tối ưu hóa đơn giản và nhanh

chóng được thực hiện trong eNodeB và phương án tối ưu hóa phức tạp

được thực hiện trong OAM Vì vậy nó rất linh hoạt dé hỗ trợ các trường hợp khác nhau của việc tối ưu hóa Và nó cũng hỗ trợ tối ưu hóa giữa các

nhà cung cấp khác nhau thông qua giao diện X2.

1.3 Chức năng của SON

Các chức năng chính của mạng SON là:- Tự câu hình.

- Tự tối ưu hóa.

- Tu xử lý, khắc phục sự cô mạng lưới.

1.3.1 Tự cấu hình

Chức năng tự cấu hình trong mạng của SON áp dụng trong quá trình

triển khai mạng mới Tự cau hình bao gồm các chức năng riêng biệt dựa trên các đặc điểm của mạng SON như: Tự động quản lý phần mềm, kiểm

tra tự động, tự động cau hình kết nối lân cận 1.3.2 Tự tối wu

Quá trình tự tối ưu được định nghĩa là quá trình mà UE và eNB đo lường và phép đo hiệu năng được sử dụng để tự động điều chỉnh mạng.

Quá trình này làm việc trong trạng thái hoạt động, bắt đầu từ khi giao diện

RF được bat Quá trình tự tối ưu hóa thu thập những thông tin đo từ UE và eNB và sau đó với sự giúp đỡ của công cụ tối ưu hóa bên ngoài, nó tự động điều chỉnh các đữ liệu cấu hình để tối ưu hóa mạng.

1.3.3 Tự phục hồi sửa chữa

Chức năng tự phục hồi nhằm mục đích phát hiện tự động và cô lập hau hết các lỗi, áp dụng cơ chế tự phục hồi dé giải quyết một số lỗi, chăng hạn như giảm công suất đầu ra trong trường hợp lỗi về nhiệt độ hoặc dự phòng tự động kích hoạt lên phiên bản phần mềm trước đó.

1.4 Kết luận chương

Như vậy, trong chương này chúng đã đi tìm hiểu tổng quan về mạng tự tổ chức, động lực và mục tiêu dé phát triển cũng như ứng dụng mạng tự tổ chức Đồng thời cũng đi sâu tìm hiểu các cấu trúc và chức năng của mạng tự tô chức.

Chương 2: UNG DUNG CUA MẠNG TỰ TO CHỨC TRONG

MẠNG CAM BIEN KHONG DAY

2.1 Giới thiệu về mang cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin

mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:

điêu khiên quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biên môi

trường, kiêm tra sức khỏe

Hình 2.1: Biểu tượng của mang cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóng radio Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức

năng dé cảm nhận, thu thập, xử ly và truyền dit liệu Cac node mạng thường là các thiết bi đơn giản, nhỏ gon, giá thành thấp , va có số lượng lớn, được

phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng

(pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dai

2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 2.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN

Node mang WSN có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu

quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để

lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng dé truyền thông với các nút lân

cận Mỗi nút cảm ứng được cầu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình

3, bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a

transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra có thể có thêm

những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận

di động (mobilizer)

2.2.2 Cấu trúc mang cảm biễn không dây

Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 2.4.

Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến

các sink Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cau trúc đa điểm Các sink có thé giao tiếp với các nút quan lý nhiệm vu (task manager

node) qua mang Internet hoặc vệ tinh.

dụng = ` : “4Trường cam bien ‘Nut cảm hiến

Hình 2.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

2.2.2.1 Kiến trúc giao thức mang WSN

Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý

di động và phan quản lý nhiệm vụ.

- Ung dung trong y té

Ứng dung trrong gia đình hệ thống giao thông an ninh

- Ưng dụng trong quân sự, an ninh

- Ứng dụng trong thương mại

2.3 Ứng dụng của mạng tự tổ chức trong mang cảm biến không dây

2.3.1 Các phương pháp ứng dung

2.3.2.1 Lập bản đồ với những phương pháp tự tổ chức

Tự tổ chức có thé dat được bang cách sử dung các vòng lặp thông tin

phản hồi tích cực và tiêu cực, tương tác giữa các cá nhân và với môi

trường, và sử dụng các kỹ thuật xác suất Những phương pháp chính có thể được sử dụng trong bat kỳ hoan cảnh của các hệ thống phức tạp va phân

phối quan trọng Các ứng dụng cho các khía cạnh kết nối mạng trong mạng

ad hoc và mạng cảm biến là một miền rất cụ thé

2.3.2.2 Trang thai chung

Trong khi việc duy tri trạng thái chung không phải là một phan của

lớp cơ chế tự tô chức Sử dụng thông tin trạng thái chung, giải pháp tối ưu

có thé được tính trực tiếp hoặc ít nhất là xấp xi trong trường hợp tối ưu hóa

đa mục tiêu Mục đích chính của thuật toán trạng thái chung trong các

mạng truyền thông là nhân đôi Đầu tiên, trạng thái chung này phải được thu thập và duy trì, và thứ hai, các thuật toán tối ưu hóa công cụ thể phải

được thực hiện Tùy thuộc vào kích thước của mạng về nút tham gia, cả hai bước này có thê đòi hỏi một lượng unsuitably cao của thời gian và bộ nhớ.

Trong các giao thức MAC, hiệu quả năng lượng cũng như hiệu suất tổng

thé có thé tối ưu hóa sử dụng chu kỳ giấc ngủ đồng bộ Việc lập kế hoạch tối ưu của chu kỳ giấc ngủ có thể được tính toán bằng cách sử dụng phân

phối thông tin trạng thái chung.

2.3.2.3 Thông tin địa điểm

Việc tính toán rõ ràng của một tuyến đường hướng tới một đích có

thể được thực hiện nếu vị trí của các nguồn, các nút lân cận và các điểm

đến được biết đến Như vậy, trạng thái chung có thể được thực hiện và vấn

dé định tuyến trong các mang mạng ad hoc có thé được giảm đến việc xác định vị trí chính xác của thông tin (ít nhất là) người gửi, người nhận và các

nút lân cận Các giải pháp đầu tiên cho vị trí hỗ trợ định tuyến trong các

mạng di động ) Trong khi đó, các phương án khác nhau đã được phát

triển bằng cách sử dụng các vị trí địa lý cho các quyết định định tuyến tối

ưu hóa (Caruso et al 2005) Phiên bản tối ưu hóa của định tuyến địa lý kết

hợp lịch sử và thông tin chuyên đổi(Xu et al 2001) Van đề có thé xảy ra

do mâu thuẫn trong thông tin vị trí (Kimet al 2004) Đặc biệt là trong giai

đoạn với tinh di động cao của các nút giao, việc cập nhật các thông tin vi

trí có thể trở nên tắc nghẽn Trong khi tất cả các phương pháp định tuyến địa lý theo cách tiếp cận tương tự dé chọn một nút nhảy tiếp theo trong quá

trình truyền dữ liệu, tức là một nút đó là ‘gan’ hoặc 'gan' đến đích, các giải pháp khác nhau đã được đề xuất dé chống lại những ngõ cụt.

2.3.2.4 Thông tin vùng lan cận

So với bảo trì cụm hoặc thậm chí trạng thái chung, thông tin vùng lân

cận có thể được tập hợp khá dễ dàng Trên thực tế, nó cũng được sử dụng

như là một điểm khởi đầu cho việc duy trì các cụm hay trạng thái chung Y tưởng cơ bản là định kỳ trao đổi thông tin giữa các vùng lân cận kết nối trực tiếp Trong các mạng không dây - như nghiên cứu trong bối cảnh các

mạng ad hoc và cảm biến - một thông điệp dữ liệu sẽ đủ dé truyền tải trạng

thái cục bộ cho tất cả khu vực lân cận Thông thường, các thông điệp được sử dụng là “hello” hoặc ”đồng bộ”, trong đó bao gồm tat cả các thông tin

cần thiết cho các thuật toán cụ thé dé đưa ra quyết định dựa trên tình trạng

cục bộ trạng thái của các vùng lân cận Các nguyên nhân cần thiết gây ra bởi các thông báo bổ sung có thé được giảm bằng cách mang kèm thông tin

trạng thái thông điệp dữ liệu khác 'bình thuong’.2.3.2.5 Trạng thái cục bộ

Trong hầu hết các trường hợp, hệ thống trạng thái cục bộ có thé được duy trì rất dé dang Xem xét các ban cập nhật của các thông số hệ thong

chính, nhận tin nhắn và cập nhật các bài cảm biến đọc để kiểm tra điều

kiện môi trường

2.3.2.6 Kỹ thuật xác suất

Kỹ thuật trong danh mục của các thuật toán xác suất có ý định giữ

thông tin ở tất cả trạng thái Nó cho thấy các hành vi tốt nhất nếu rất ít tin

nhắn mỗi lần phải được truyền bởi vì các chi phí do việc bảo trì trang thái

là không đáng kể (hoặc thậm chí bằng không)

2.3.2 Tiêu chí đánh giá

Việc đánh giá các hệ thống tự tô chức có thé được thực hiện trong

nhiều kích thước và theo một số tiêu chí rộng Bên cạnh các biện pháp thực hiện cô điển, hai tham số đặc biệt được quan tâm: khả năng mở rộng, tức là

sỐ lượng hỗ trợ của hệ thống tương tác hoặc kích thước tối đa của một hệ

thống, và năng lượng, tức là hạn chế năng lượng của một kịch bản ứng dụng so với mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống.

Mặt khác, các vấn đề liên quan đến năng lượng đã được nghiên cứu

trong nhiều lĩnh vực Năng lượng thuật toán hiệu quả thường có liên quan

với việc tối ưu hóa của một quá trình duy nhất hoặc cơ chế Ngược lại, hệ

thống năng lượng nhận thức được xem xét vô số các tương tác giữa các bộ

phận của một hệ thống duy nhất và giữa các hệ thống trong toàn bộ mạng

Một giải pháp hứa hẹn là để có những nhu cầu ứng dụng vảo tài khoản Việc phát triển mạng lưới kiến trúc, giao thức và phương pháp rõ ràng là có nghĩa là dé được sử dụng trong một kịch bản ứng dụng cụ thể.

2.4 Kết luận chương

Trong chương này, chúng ta tìm về mạng cảm biến không dây Các ứng dụng của mang tự tổ chức trong mạng cảm biến không day, qua đó ta

có thé thấy được lợi ích mà mạng tự tô chức đem lại khi ứng dụng SƠN

trong mạng cảm biến không dây.