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

B CễNG THNG B GIO DC V O T O VIN NGHIấN CU IN T, TIN HC, T NG HO H MNH O Về MộT PHƯƠNG PHáP MớI ĐIềU KHIểN MƯợN, KHóA KÊNH TầN Số MạNG DI ĐộNG Tế BàO Chuyờn ngnh: K thut in t Mó s :62.52.70.01 LUN N TIN S K THUT NGI HNG DN KHOA HC PGS.TS. Thỏi Quang Vinh H NI 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 =C k 87 Hình 3.8: Trường hợp 2: , m C k OL k C ν > 88 [...]... u t chính ñ xác ñ nh các kênh di ñ ng v i ch t lư ng d ch v nh t ñ nh có th s d ng ñư c chính là m c tín hi u ñi n thu ñư c trong m i kênh ñó Trong lu n án này chúng tôi g i t t c các kênh s d ng các phương pháp truy c p khác nhau trong các th h khác nhau v i m t tên chung là kênh truy n thông hay kênh 27 Hình 1.3: Các phương pháp ña truy c p kênh cơ b n v i N ngư i s d ng di ñ ng G i Si (k) là t p... tìm m t phương pháp mư n/khoá kênh phù h p hơn, hi u qu hơn chính là hư ng l a ch n nghiên c u c a lu n án này 1.2.2.3 Các thu t toán gán kênh 32 Trong lu n án này, vi c phân lo i các thu t toán gán kênh trong m ng di ñ ng t bào ñư c th c hi n trên cơ s phân bi t các kênh li n k Có 3 nhóm thu t toán gán kênh chính sau ñây [2][3][4][5]: a) Gán kênh c ñ nh FCA; b) Gán kênh ñ ng DCA; c) Gán kênh lai... kênh ñ ng T p h p các kênh c ñ nh ñư c ưu tiên gán cho các yêu c u theo thu t toán FCA trong m i trư ng h p T p h p các kênh ñ ng ñư c gán cho t t c các yêu c u c p phát 33 kênh trong h th ng Khi có m t yêu c u c p phát kênh và các kênh thu c t p h p kênh c ñ nh không còn kênh nào r i thì kênh r i thu c t p h p kênh ñ ng s ñư c gán cho yêu c u ñó tuân th b t c thu t toán c p phát kênh ñ ng c th nào ñó... i chính xác M c ñích c a bài toán gán kênh ch y u là ñ khai thác kh năng tái s d ng l i kênh dư i ñi u ki n ràng bu c nhi u, như nhi u ñ ng kênh, nhi u kênh li n k , nhi u kênh t i cùng ch s d ng Các thu t toán gán kênh ñư c ñ xu t t nhi u tác gi khác nhau r t phong phú, nhưng có th chia làm 3 lo i khác nhau là: Gán kênh c ñ nh (FCA), gán kênh ñ ng (DCA) và gán kênh lai ghép (HCA) Ưu ñi m c a FCA là... th y phương pháp mư n, khóa kênh trên DBNFS cho k t qu t t hơn so v i các phương pháp thông thư ng và các thu t toán FDCBS, NFDCBS c a Yao-Tien Wang [47][48] M c tiêu c a lu n án t p trung nghiên c u ba v n ñ chính V n ñ th nh t là so sánh và ñánh giá các phương pháp mư n khóa kênh truy n th ng, phương pháp mư n kênh FDCBS, NFDCBS ñ v ch ra nh ng ñi m h n ch c a các phương pháp này, t ñó ñ xu t phương. .. năng cùng m t m ng có th ph c v các yêu c u kênh khác nhau T bào l n ph c v vùng có m t ñ cu c g i th p hơn và các t bào nh ph c v các vùng có m t ñ cu c g i cao [1][2][3][4] 1.2.2 Kênh, c p phát kênh và tái s d ng kênh 1.2.2.1 Kênh truy n thông Kênh truy n thông trong m ng di ñ ng t bào, có th s d ng các phương pháp truy c p m ng khác nhau ho c k t h p các phương pháp truy c p m ng v i nhau (Hình 1.3)... tuy n ñi n 35 Tr ng i l n nh t cho vi c tái s d ng kênh t n s vô tuy n ñi n chính là nhi u xuyên kênh t bào ñ ng kênh, sinh ra b i nhi u môi trư ng ho c b i các thi t b di ñ ng khác Có nhi u gi i pháp k thu t ñ h n ch nhi u xuyên kênh t bào ñ ng kênh trong m ng di ñ ng t bào: (a) Thi t k t i ưu h th ng m ng di ñ ng t bào và các thu t toán c p phát kênh; (b) S d ng các k thu t ñi u ch , l c, ch ng nhi... các t p ñ ng kênh ho c g i theo cách ñơn gi n là ñ ng kênh Kho ng cách nh nh t mà các t p ñ ng kênh có th ñư c tái s d ng v i nhi u gây ra có th ch p nh n ñư c g i là “kho ng cách tái s d ng ñ ng kênh Kho ng cách nh nh t ñ m b o r ng m c t s tín hi u trên nhi u ñ nh Tín hi u m i t p ñ ng kênh l n hơn m t ngư ng xác ñây bi u di n công su t tín hi u thu ñư c c a m t kênh và nhi u bi u di n t ng công... t s d ng Trong HCA, 14 các kênh ñư c chia thành hai t p riêng bi t: m t t p các kênh ñư c gán cho m i t bào trên cơ s FCA, trong khi t p kênh còn l i ñư c gi trong ngu n chung dành cho vi c gán ñ ng M t v n ñ quan tr ng c a các phương pháp c p phát kênh là cân b ng t i trong m ng di ñ ng t bào có t i phân b không ñ u Cân b ng t i là quá trình phân b l i các kênh c a m ng di ñ ng t bào ñ tránh tình... d báo phù h p hơn, hi u qu hơn G n ñây, ña s các phương pháp gi i quy t v n ñ gán kênh cho m ng t bào nói chung, phương pháp ñi u khi n mư n kênh nói riêng ñ u s d ng công c tính toán thông minh, ho c k t h p các phương pháp truy n th ng v i các phương pháp tính toán thông minh ñ gi i quy t bài toán m ng di ñ ng t bào (h th ng lai) [47][48][50] Trong phương pháp tính toán thông minh, n n t ng c t lõi . 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. 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. gán kênh chủ yếu là ñể khai thác khả năng tái sử dụng lại kênh dưới ñiều kiện ràng buộc nhiễu, như nhiễu ñồng kênh, nhiễu kênh liền kề, nhiễu kênh tại cùng chỗ sử dụng. Các thuật toán gán kênh