Nghiên cứu các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong hệ thống thông tin di động DS CDMA và w CDMA bằng logic mờ và CBR

Lời Mở Đầu Trong hệ thống mạng di động hệ thứ 3, việc sử dụng kỹ thuật CDMA (code division multiple access) s ẽ làm tăng dung lượng mạng dễ dàng cung cấp dịch vụ với tốc độ khác Tuy nhi ên với việc tăng hiệu mạng CDMA, tăng số người sử dụng dịch vụ tốc độ cao đòi hỏi nhiều tài nguyên vô tuyến Điều dẫn đến nhu cầu tăng dung l ượng hệ thống thông qua việc quản lý hiệu việc sử dụng phổ tần số cách cung cấp phổ tần số vừa đủ Đề tài đề xuất việc ứng dụng tác nhân thông minh để điều khiển tắc nghẽn hệ thống DS-CDMA/FRMA (direct-sequence code division multiple access/frame reservation multiple access) W-CDMA (wideband code division multiple access) Trong hệ thống DS-CDMA/FRMA đề tài đề xuất phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn cho hệ thống kỹ thuật logic mờ v mạng nơ ron Đề tài tập trung xây dựng điều khiển nghẽn mờ – nơ ron nhằm thay cho phương pháp điều khiển thông thường Đồng thời đánh giá hiệu hoạt động điều khiển nhờ phương pháp mô hệ thống Các kết thu đ ược so sánh với phương pháp thông thường Trong hệ thống W-CDMA, đề tài đề xuất phương pháp điều khiển tắc nghẽn cho hệ thống: “ Sử dụng việc kết hợp anten thông minh” Trong phương pháp “ Sử dụng việc kết hợp anten thông minh” anten thông minh thay đổi mơ hình phủ sóng để quản lý tài nguyên vô tuyến hệ thống Điểm phương pháp phương pháp h ọc CBR sử dụng để giám sát điều kiện mạng để thay đổi mơ hình phủ sóng mà khơng phải thực phép tính tốn thực tế điều khiển mạng thay đổi Bởi v ì phương pháp học sử dụng, hệ thống dự đoán thay đổi l ưu lượng mạng, thấy thay đổi khớp với kịch m thấy trước đó, thay đổi trước mơ hình phủ sóng để tránh nghẽn mạng Tuy nhi ên lợi ích lớn việc dự đốn có kịch khớp, kế số l ượng anten thay đổi rút ngắn, giảm bớt số lượng handover bắt buộc v giảm bớt lưu lượng tải mạng Mục tiêu luận văn: Mục tiêu đề tài ứng dụng tác nhân thông minh điều khiển tắc nghẽn hệ thống DS-CDMA/FRMA W-CDMA - Trong hệ thống thông tin di động trải phổ tế bào DS-CDMA có nhiều toán đưa để cải thiện dung lượng hệ thống Đó lớp tốn điều khiển công suất, chuyển giao v phương pháp triệt nhiễu đa người dùng, Như đề tài đề xuất phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn cho hệ thống DS-CDMA/FRMA kỹ thuật logic mờ v mạng nơ ron phục vụ cho mục đích Phương pháp điều khiển áp dụng cho giao thức đa truy cập dự phòng khung (FRMA), giao thức đề nghị sử dụng hệ thống DS CDMA Đồng thời sử dụng điều khiển mờ – nơ ron lựa chọn tối ưu chúng hội tụ đầy đủ ưu điểm áp dụng cho hệ thố ng Luận văn tập trung xây dựng điều khiển nghẽn mờ – nơ ron nhằm thay cho phương pháp điều khiển thông thường - Trong hệ thống mạng W-CDMA ta tập trung xây dựng phương pháp điều khiển tắc nghẽn cho hệ thống: “ Sử dụng việc kết hợp anten thông minh” Mục tiêu luận văn nghiên cứu việc sử dụng mơ hình CBR để tác động đến thay đổi mơ hình lưu lượng hệ thống CDMA v điều khiển kết hợp mơ hình phủ sóng anten thơng minh để tối ưu hóa tài nguyên lưu lượng đặc biệt nghẽn xuất Các nghi ên cứu trước nghiên cứu kết hợp anten thông minh cách sử dụng tính tốn tổng qt để xác định mơ hình tối ưu, mục đích luận văn ứng dụng mơ hình có sẵn để sử dụng Để sử dụng kinh nghiệm n ày, ta ứng dụng kết đạt đ ược đề tài “Intelligent Geographic Load Balancing for Mobile Cellular Networks ” Lin Du Trong luận văn này, mơ hình nghẽn mơ hình phủ sóng đáp ứng kết hợp để tạo thư viện trường hợp, nhằm để lưuu trữ giải pháp hữu ích đạt khứ Ưu điểm phương pháp mơ hình ph ủ sóng khơng phải tính tốn, điều có nghĩa đáp ứng nhanh việc thay đổi lưu lượng hệ thống Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng xây dựng điều khiển nghẽn mờ – nơ ron để điều khiển tắc nghẽn cho hệ thống DS-CDMA Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng ứng dụng phương pháp học CBR quản lý kết hợp anten thông minh để l àm giảm tắc nghẽn WCDMA Phần thực nghiệm cài đặt ngơn ngữ lập trình dự kiến Java Matlab thử nghiệm máy tính Nội dung nghiên cứu Đề tài bao gồm nội dung nghiên cứu: Tìm hiểu lý thuyết mạng DS-CDMA, W-CDMA, lý thuyết anten thông minh Tìm hiểu lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơ ron phương pháp học CBR Xây dựng điều khiển nghẽn mờ – nơ ron cho hệ thống tích hợp thoại – liệu DS-CDMA/FRMA Xây dựng phương pháp sử dụng CBR để thay đổi h ình dạng kích thước cell hệ thống mạng W -CDMA phương pháp “ Sử dụng việc kết hợp anten thông minh” Phương pháp nghiên cứu Đề tài tiếp cận phương pháp cứu sau đây: Tiếp cận lý thuyết phương pháp học CBR Tiếp cận lý thuyết mờ mạng Neural Phương pháp xây dựng điều khiển nghẽn mờ – nơ ron cho hệ thống tích hợp thoại – liệu DS-CDMA/FRMA Phương pháp Xây dựng phương pháp sử dụng CBR để thay đổi hình dạng kích thước cell hệ thống mạng W -CDMA phương pháp “ Sử dụng việc kết hợp anten thông minh” Ý nghĩa đề tài Đề tài mở hướng nghiên cứu ứng dụng nhân tố thông minh nhằm phát triển điều khiển nghẽn mạng DSCDMA v W-CDMA Kết đề tài phát triển thành công cụ hỗ trợ cho việc điều khiển nghẽn cho mạng thông tin thực tế Về cấu trúc, luận văn chia sau: Phần 1: Lý thuyết tổng quan: Chương 1: Thông tin di đ ộng tế bào nguyên lý CDMA : cung cấp số kiến thức hệ thống thông tin di động hệ thống CDMA Chương : Hệ thống thông tin di động trải phổ tế b DS-CDMA WCDMA : Trong chương trình bày vấn đề hệ thống thông tin di động DS CDMA W-CDMA Dựa sở kiến thức hệ thống n ày giúp cho việc giải toán chống tắc nghẽn tác nhân thông minh (logic mờ,mạng nơ ron, CBR) tối ưu Phần 2: Ứng dụng Logic mờ, Neural v CBR điều khiển tắc nghẽn mạng DS-CDMA W-CDMA Chương :Lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơ ron,anten thông minh CBR : Trong chương tìm hiểu khái niệm nhằm phục vụ tr ình xây dựng điều khiển thông minh ứng dụng mạng viễn thông thay cho điều khiển truyền thống Chương : Xây dựng điều khiển nghẽn hệ thống DS -CDMA/FRMA W-CDMA Phần 3: Kết mô Kết luân v hướng phát triển đề tài Chương 5: Kết mô : Chương đưa kết thu sử dụng điều khiển nghẽn mờ – nơ ron Chương : Kết luận, đề xuất hướng phát triển Giới Thiệu Thông tin di động hệ thứ ba hệ thông tin di động cho dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa ph ương tiện Đây thực mạng băng rộng có khả truyền thông đa ph ương tiện, đảm bảo tốc độ bit người sử dụng đến Mbps Mạng có khả cung cấp độ rộng băng tần theo y cầu Điều xuất phát từ việc thay đổi bit dịch vụ khác nhau, đảm bảo đ ường truyền vô tuyến không đối xứng Đồng thời mạng cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu Nghĩa đảm bảo kết nối chuyển mạch cho thoại, dịch vụ video v khả số liệu gói cho dịch vụ số liệu Để đáp ứng đ ược yêu cầu này, hệ thống thông tin di động hệ hai dần đ ược chuyển đổi bước sang hệ thứ ba Trong hệ thống mạng di động hệ thứ 3, việc sử dụng kỹ thuật CDMA (code division multiple access) s ẽ làm tăng dung lượng mạng dễ dàng cung cấp dịch vụ với tốc độ khác Tuy nhi ên với việc tăng hiệu mạng CDMA, tăng số người sử dụng dịch vụ tốc độ cao đòi hỏi nhiều tài nguyên vô tuyến Điều dẫn đến nhu cầu tăng dung l ượng hệ thống thông qua việc quản lý hiệu việc sử dụng phổ tần số cách cung cấp phổ tần số vừa đủ Đề tài đề xuất việc ứng dụng tá c nhân thông minh để điều khiển tắt nghẽn hệ thống DS-CDMA/FRMA (direct-sequence code division multiple access/frame reservation multiple access) W-CDMA (wideband code division multiple access) ii MUÏC LỤC Trang Lờicám ơn i Giới thieäu ii Muïc luïc iii Danh mục chư õviết taét iv Danh mục hình vẽ v MỞ ĐẦU Phaàn 1: Lý thuyết tổng quan … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Chương 1: Tế bào thông tin di động nguyên lý CDMA 1.1 Tổng quan hệthống thông tin di động tếbà o 1.2 Sö ïphát triển hệthống thông tin di động 1.3 Các kỹthuật đa truy caäp 1.4 Giới thiệu vềCDMA… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 10 1.5 Phân loại CDMA… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 11 Chương 2: Hệ thống thông tin di động DS -CDMA W-CDMA 13 2.1 DS-CDMA 13 2.2 Hệ thống di động tế bào hệ thứ (UMTS): 16 Phần 2: Ứng dụng Fuzzy logic,neural,CBR điều khiển tắc nghẽn DSCDMA W-CDMA…………………………………………………………………………………………………………… 22 Chương 3: Lý thuyết điều khiển mờ, mạng neural CBR 23 3.1 Giới thiệu vềLogic mờ 23 3.2 Maïng neural 28 3.3 Phư ơng pháp học CBR 32 Chương 4: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn DS-CDMA, WCDMA 37 4.1 Phương pháp thiết kế điều khiển nghẽn sử dụng neural v logic mờ cho mạng DS-CDMA 38 4.2 Phương pháp ứng dụng phương pháp học CBR để điều khiển tắt nghẽn W-CDMA 48 Chương 5: Kết mô 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75 TAØI LIỆU THAM KHẢO 76 iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1: Nguyên lý sử dụng lại tần số ………………………………………………… Hình 1.2: FDMA-Đa truy nhập phân chia theo tần số ………….…………………… 10 Hình 1.3: TDMA-Đa truy nhập phân chia theo thời ………………………………… 10 Hình 4: CDMA-Đa truy nhập phân chia theo mã …………………………… …… 11 Hình 5: So sánh phổ tín hiệu trước sau trải phổ …………………… … 11 Hình 6: Phân loại CDMA ………………………………… ………………………….13 Hình 7: Hệ thống thơng tin di động DS/CDMA ……………………………… ….… 15 Hình 8: Kênh CDMA đường lên …………………………………………….……….16 Hình 9: Sơ đồ khối máy phát DS-CDMA…………………………………………… .17 Hình 10: Tín hiệu trải phổ điều chế BPSK ……………………………… ……….… 17 Hình 11: Máy thu tín hiệu DS-CDMA …………………………………………….… 18 Hình 12: Cấu trúc hệ thống UMTS …………………………………………….… 19 Hình 13: Cấu trúc UTRAN…………………………………………………………… 19 Hình 14:Tần số sử dụng lại GSM v W-CDMA……………………………… 20 Hình 15: Quá trình trải phổ………………………………………………………….… 21 Hình 16: Nguyên lý trải phổ……………… ……………………………………….… 21 Hình 17: Cơng suất giao thoa cell…………………………………………….… 22 Hình 18: Cấu trúc hệ mờ bản…………………………………………….…… 27 Hình 19 Xác định độ thỏa mã đầu vào …………………………………………….… 27 Hình 20: Mơ hình CBR……… …………………………………………….………… 35 Hình 21 Hệ thống nhớ chia sẻ …………………………………………….……… 37 Hình 22 : Cấu trúc điều khiển nghẽn mờ – nơ ron………………………………… 39 Hình 23– Cấu trúc khung giao thức FRMA …………………………………… 40 Hình 24- Cấu trúc mạng nơ ron RNN…………………………………………… 42 Hình 25: Hai loại anten thơng minh …………………………………………… 46 Hình 26: Vùng phủ sóng điều kiện b ình thường……………………………… 49 Hình 27: Lưu đồ hệ thống…………………………………………….……………… 51 Hình 28: Lưu đồ giải thuật mơ mạng W-CDMA………………………………53 Hình 29: Mơ hình mạng baogồm 100 cell hình lục giác Hình 30: Mơ hình cell…………………………………………….……………………54 iv Hình 31 Nguyên tắc phương án tiếp cận lưu lượng nghẽn……………………55 Hình 32: Mơ hình phủ sóng…………………………………………….……………… 55 Hình 33: So sánh mơ hình nghẽn lưu lượng…………………………………… 56 Hình 34 : Hàm truy cập kênh cho hệ thống DS-CDMA/PRMA……………………… 58 Hình 35 Tỷ lệ gói sử dụng phương pháp fuzzy…………………………….…60 Hình 36:Tỷ lệ gói thoại sử dụng ph ương pháp neural…………………………61 Hình vẽ 37 Kết so sánh tỷ lệ gói thoại ph ương pháp……………62 Hình 38 Quan hệ tỷ lệ sai hỏng tranh chấp v số người dùng cell sử dụng phương pháp fuzzy…………………………………………….………………… 63 Hình 39 Quan hệ tỷ lệ sai hỏng tranh chấp v số người dùng cell sử dụng phương pháp neural………………………………… ………….………………… 64 Hình vẽ 40 So sánh tham số tỷ lệ sai hỏng ph ương pháp…………………… 65 Hình vẽ 41 Quan hệ giá trị trễ gói trung b ình số người dùng cell sử dụng Fuzzy…………………………………………….……… …………………………66 Hình vẽ 42 Quan hệ giá trị trễ gói trung bình số người dùng cell sử dụng neural…………………………… ………….……………………………………… 66 iv CÁC TỪ VIẾT TẮT BER CBR CC FDD FDMA FL FM ITU MAC ME MM MPLS NN NP NPRA QoS RLC SLA SLM SLS SMS SP TDD TDMA UMTS W-CDMA Bit Error Rate Case-Based Reasoning Call Control Frequency Division Duplex Frequency Division Multiple Access Fuzzy Logic Frequency modulation International Telecommunication Union Medium Access Control Mobile Equipment Mobility Management Multi-Protocol Label Switching Neural Network Network Provider Network Provider Resource Agent Quality of service Radio Link Control Service Level Agreement Service Level Management Service Level Specification Short Message Services Service Provider Time Division Duplex Time Division Multiple Access Universal Mobile Telecommunication Syste m Wideband Code Division Multiple Access v Luận văn thạc sĩ GVHD :PGS.TS Phạm Hồng Liên CHƯƠNG 1: THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CDMA Các hệ thống thông tin vô tuyến c ùng với dịch vụ chúng đ ã trải qua trình phát triển đáng kinh ngạc từ hệ thống thông tin tế b (Cellular Communications System) đ ầu tiên giới thiệu vào năm 1980s Các hệ thống thông tin vô tuyến hệ thứ (1G) đ ã dựa kỹ thuật FM tương tự thiết kế cho dịch vụ thoại chuyển mạ ch mạch băng hẹp Các hệ thống thông tin vô tuyến hệ thứ (2G) GSM (Global Systems for Mobile Telecommunications), PDC (Personal Digital Cellular) IS -95 (Interim Standard - 95) giới thiệu vào năm 1990s chuyển sang sử dụng kỹ thuật số, nhiên hệ thống dùng cho dịch vụ thoại liệu băng hẹp Các hệ thống 3G (nh IMT-2000, UMTS) dựa tảng kỹ thuật số, lưu lượng hệ thống n ày kết hợp thoại, liệu hay l ưu lượng đa truyền thông 1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG DI ĐỘNG TẾ B ÀO: Ý tưởng thiết kế ban đầu hệ thống thông tin di động l dùng máy phát có cơng suất lớn, anten đặt tháp thật cao để phủ sóng cho v ùng rộng lớn Với hệ thống có nhược điểm: hiệu suất thiết bị kém, lãng phí cơng suất, hiệu sử dụng tần số thấp, muốn tăng dung l ượng hệ thống đòi hỏi phải tăng dải tần Để khắc phục nhược điểm này, ta sử dụng trạm phát có cơng suất nhỏ, anten thấp nên vùng phủ sóng nhỏ Mỗi vùng phủ sóng nhỏ gọi tế bào (Cell) Mỗi cell có trạm gốc (BTS) Nhiều cell kết hợp lại, ta có mạng tế b Các BTS điều khiển trung tâm chuyển mạch điện thoại di động (MSC), MSC kết nối với tổng đài công cộng (PSTN) Hình mơ tả hệ thống thơng tin di động tế bào Mỗi cell gán nhóm tần số Các cell kế cận có nhóm tần số khác để tránh nhiễu đồng kênh Mỗi nhóm tần số sử dụng cell sử dụng lại cell khác Đây l kỹ thuật sử dụng lại tần số (Frequency Reuse) Nhờ mà dung lượng hệ thống đ ược tăng lên mà khơng cần tăng thêm dải tần Đây lợi điểm mà hệ thống thông tin di động đa số sử dụng HVTH : KS Trần Đỗ Khoa Nam Luận văn thạc sĩ GVHD :PGS.TS Phạm Hồng Liên Hình 1: Ngun lí sử dụng lại tần số Các đặc điểm mạng tế bào:  Các cell thường có dạng lục giác để đ ơn giản hóa việc thiết kế, tính tốn lý thuyết, qui hoạch, quản lí phát triển mạng diện thoại di động Các BTS đặt tâm Cell (dùng anten vơ hướng) đặt góc Cell kề (dùng anten định hướng)  Tần số sử dụng Cell sử dụng Cell khác l àm tăng hiệu sử dụng tần số  Khi MS di động từ Cell qua Cell khác th ực gọi MSC thực định tuyến lại gọi từ Cell c ũ sang Cell mà không làm gián đoạn gọi Quá trình gọi chuyển vùng (Handoff)  Khi nhu cầu Cell tăng cao h ơn so với dung lượng tối đa địi hỏi chia Cell thành Cell có kích thư ớc nhỏ  Trong mạng di động tế bào việc liên lạc MS BTS thực thông qua cặp tần số: tần số hướng lên (Uplink or Reverse link), m ột tần số hướng xuống (Downlink or Forward link) Đây l phương pháp song công phân chia theo tần số (FDD – Frequency Division Duplex) 1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG DI ĐỘNG Thế hệ thứ nhất: hệ thống tế bào tương tự  Hệ thống thông tin di động thứ dựa tr ên kĩ thuật đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA – Frequency Division Multiple Access) analog FM HVTH : KS Trần Đỗ Khoa Nam ... Chương 1: Thông tin di đ ộng tế bào nguyên lý CDMA : cung cấp số kiến thức hệ thống thông tin di động hệ thống CDMA Chương : Hệ thống thông tin di động trải phổ tế b DS- CDMA WCDMA : Trong chương... 2: Hệ thống thông tin di động DS -CDMA vaø W -CDMA 13 2.1 DS- CDMA 13 2.2 Hệ thống di động tế bào hệ thứ (UMTS): 16 Phần 2: Ứng dụng Fuzzy logic, neural ,CBR điều khiển tắc nghẽn. .. ơng pháp học CBR 32 Chương 4: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn DS- CDMA, WCDMA 37 4.1 Phương pháp thiết kế điều khiển nghẽn sử dụng neural v logic mờ cho mạng DS- CDMA