Nghiên cứu ứng dụng công nghệ pon để quy hoạch nâng cấp tối ưu hóa việc phân bổ vị trí và tần số mạng truyền dẫn 3g wcdma tại khu vực thành phố bắc giang

ðẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ðẠI HỌC ðộc lập - Tự - Hạnh phúc KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Nguyễn Thị Chung Ngày tháng năm sinh : Ngày 18 tháng năm 1980 Nơi sinh : Bắc Giang Nơi công tác : Trường Cao ðẳng Nghề Bắc Giang Cơ sở ñào tạo : Trường ðại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Chun ngành : Kỹ thuật điện tử Khóa học : K13- KTðT TÊN ðỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ðỂ QUY HOẠCH, NÂNG CẤP, TỐI ƯU HỐ VIỆC PHÂN BỔ VỊ TRÍ VÀ TẦN SỐ MẠNG TRUYỀN DẪN 3G-WCDMA TẠI KHU VỰC TP BẮC GIANG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ Trường ðại học Thái Nguyên Ngày giao ñề tài: / / Ngày hoàn thành: ./ / GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Thanh Hà Nguyễn Thị Chung Trang BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ðẠI HỌC LỜI CAM ðOAN Tên là: Nguyễn Thị Chung Học viên lớp Cao học khoá 13- Kỹ thuật ñiện tử - Trường ðHKTCN Thái Nguyên Xin cam ñoan: ðề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp tối ưu hóa việc phân bổ vị trí tần số mạng truyền dẫn 3G” thầy giáo PGS TS Nguyễn Thanh Hà hướng dẫn cơng trình tổng hợp nghiên cứu riêng tơi Tất nội dung luận văn ñề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Bắc Giang, ngày tháng năm 2012 Học viên Nguyễn Thị Chung Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN……………………………………………………… … I LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………II MỤC LỤC………………………………………………………………….III DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………………………V LỜI NĨI ðẦU………………………………………………………….… CHƯƠNG 1: CƠNG NGHỆ DI ðỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA……….…5 1.1 Giới thiệu chương………………………………………………………5 1.2 Cấu trúc mạng W-CDMA………………………………………………6 1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN……………………………9 1.2.2 Giao diên vô tuyến………………………………………… 10 1.3 Kết luận chương……………………………………………………… 13 CHƯƠNG 2: CƠNG NGHỆ PON VÀ CÁC CHUẨN HỐ PON……… 15 2.1 Mạng quang tích cực AON mạng quang thụ ñộng PON………… 15 2.1.1 AON………………………… ……………………………….…15 2.1.2 Mạng PON……………………… …………………………… 16 2.1.3 Các chuẩn mạng PON………… ………………………….20 2.1.4 Bộ tách /ghép quang topo mạng PON……… …………27 2.1.5 PON MAC layer…………………………………… ………… 35 2.2 Kết luận chương……………………………………………………… 43 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PON ðỂ QUY HOẠCH TỐI ƯU HỐ VỊ TRÍ VÀ TẦN SỐ MẠNG TRUYỀN DẪN 3G-WCDMA TẠI KHU VỰC TP BẮC GIANG………………………………………….44 3.1 Giới thiệu………………………………………………………………44 3.2 Nhu cầu tối ưu hoá mạng backhaul……………………………………45 3.3.Quy hoạch vị trí……………………………………………………… 47 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4 Sự xếp nhiều ONU: Thuật toán Tham lam Greedy……………….49 3.5 Thuật tốn để tối ưu hố tồn cục…………………………………… 50 3.5.1 Mơ thuật tốn luyện kim simulated Annealing (SA)…….51 3.5.2 Áp dụng vấn đề bố trí nhiều ONU theo SA…………………… 51 3.5.3 Hiệu suất học…………………………………………………….53 3.5.4 Thuật toán leo ñồi(Hill-Climbing Algorithm (Steepest Descent))… 55 3.6 Kết luận chương……………………………… ……………………………57 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI……………… ………58 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 59 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời nói đầu @ -Cùng với phát triển ngành cơng nghệ điện tử, tin học cơng nghệ thơng tin di động năm qua phát triển mạnh mẽ cung cấp loại hình dịch vụ ña dạng ñáp ứng nhu cầu ngày cao người sử dụng Kể từ ñời vào cuối năm 1940 thơng tin di ñộng ñã phát triển qua nhiều hệ ñã tiến bước dài đường cơng nghệ Trong kỷ 21, giới ñã chứng kiến bùng nổ nhu cầu truyền thông không dây số lượng, chất lượng loại hình dịch vụ Tuy nhiên, theo đánh giá cơng nghệ truyền thơng khơng dây thời cịn q chậm khơng ñáp ứng ñược yêu cầu dịch vụ ñặc biệt dịch vụ truyền số liệu ña phương tiện ðiều địi hỏi nhà khai thác phải có cơng nghệ truyền thơng khơng dây nhanh tốt ðể đáp ứng u cầu đó, từ năm ñầu thập kỷ 90 người ta ñã tiến hành nghiên cứu, hoạch ñịnh hệ thống thơng tin di động hệ ba ITU-R tiến hành cơng tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thơng tin di động tồn cầu IMT-2000, cịn châu Âu ETSI tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên với tên gọi UMTS (Universal Mobile Telecommunnication System) Mục tiêu trước mắt tăng tốc ñộ bit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps Công nghệ nâng cao chất lượng thoại, dịch vụ liệu hỗ trợ truyền thơng đa phương tiện đến thiết bị khơng dây Có nhiều chuẩn thơng tin di động hệ ba đề xuất, chuẩn W-CDMA ITU chấp thuận ñang ñược triển khai số khu vực Hệ thống W-CDMA phát triển hệ thống thông tin di động hệ hai sử dụng cơng nghệ TDMA GSM, PDC, IS-136 W-CDMA sử dụng công nghệ CDMA ñang mục tiêu hướng tới hệ thống thơng tin di động tồn giới, điều cho phép thực tiêu chuẩn hóa giao diện vơ tuyến cơng nghệ truyền thơng khơng dây tồn cầu Hiện nay, mạng thơng tin di động Việt Nam ñang sử dụng công nghệ GSM, nhiên mạng GSM khơng đáp ứng u cầu dịch vụ địi hỏi chất lượng dịch vụ ngày cao người sử dụng 3G bước đột phá ngành di động, cung cấp băng thông rộng cho người sử dụng ðiều ñó có nghĩa có dịch vụ nhiều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang http://www.lrc-tnu.edu.vn thuận tiện dịch vụ thoại sử dụng ứng dụng liệu truyền thơng hữu ích điện thoại truyền hình, định vị tìm kiếm thơng tin, truy cập Internet,truyền tải liệu dung lượng lớn, nghe nhạc xem video chất lượng cao, Truyền thơng di động ngày đóng góp vai trị quan trọng sống Việc giữ liên lạc với người di chuyển ñã làm thay đổi sống riêng tư cơng việc Tuy nhiên, thị trường viễn thông mở rộng thể rõ hạn chế dung lượng băng thông hệ thống thông tin di ñộng thứ hai Sự ñời hệ thống di động hệ thứ ba với cơng nghệ tiêu biểu WCDMA hay HSPA tất yếu ñể ñáp ứng ñược nhu cầu truy cập liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thơng rộng người sử dụng Trong lộ trình phát triển, mạng GPRS/EDGE UMTS ñược triển khai mạng GSM truyền thống nhằm ñem lại thêm tài nguyên vô tuyến ñể cung cấp dịch vụ liệu tốc ñộ cao, tăng chất lượng dịch vụ thoại Quá trình phát triển ñòi hỏi dung lượng mạng truyền dẫn (backhaul) phải ñược mở rộng ñể truyền tải lưu lượng lớn từ trạm gốc (BS) ñến trạm trung tâm chuyển mạch (MSC) Tuy nhiên, hệ thống truyền dẫn UMTS dựa công nghệ truyền dẫn IP ATM, mạng GSM truyền thống dựa công nghệ TDM Vậy yêu cầu ñặt cần phải nâng cấp mạng TDM GSM Việc xây dựng hai mạng riêng biệt cho GSM UMTS khơng hiệu quả, đặc biệt nhà khai thác di ñộng hy vọng UMTS dần thay GSM, mạng truyền dẫn GSM bị xóa bỏ Trong hệ thống PON, kết nối mạng quang (ONT) có khả hỗ trợ kết nối dịch vụ ñiện thoại truyền thống qua giao diện POTS (Plain Old Telephone Service) giao tiếp truyền liệu tốc ñộ cao Ethernet DSL ðầu cuối ñường dây quang (OLT) bao gồm khối giao tiếp PON, kết cấu chuyển mạch liệu phần tử ñiều khiển NE (Network Element) Tại hướng xuống, ODL phát quảng bá liệu tới tất ONU Tín hiệu hướng xuống bao gồm liệu cho ONT, từ mào ñầu Khai thác Quản lý Bảo dưỡng (Operations Administration and Maintenance –OAM) tín hiệu đồng cho ONT gửi liệu hướng lên Dựa vào thông tin khe thời gian (kênh), địa gói/tế bào, bước sóng, mã Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang http://www.lrc-tnu.edu.vn CDMA mà ONT tách liệu tương ứng với thuê bao khách hàng Trong hướng lên, ONU cần có giao thức điều khiển truy nhập mơi trường MAC (Medium Access Control) ñể chia sẻ PON Giao thức MAC thường ñược sử dụng PON ña truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), ñó ONT ñược cấp khe thời gian (kênh) để gửi liệu tới OLT Ngồi hướng lên cần phải có khoảng thời gian bảo vệ nhóm gói liệu ONT, khoảng thời gian ñảm bảo cho thu OLT liệu không bị trùm phủ lên Thông thường hệ thống TDMA PON gán trước tỷ lệ phân chia cố định băng thơng hướng lên cho ONT mà khơng quan tâm có liệu ñược gửi ñi Một giải pháp ñể phân bổ băng thông cho ONT sử dụng giao thức phân bổ băng thơng động (Dynamic Bandwidth Allocation – DBA) DBA giao thức cho phép ONT gửi yêu cầu băng thông tới OLT nhằm sử dụng hiệu băng thông hướng lên Các thông tin yêu cầu mức đầy hàng đợi đầu vào cho lớp dịch vụ khác OLT ñánh giá yêu cầu từ ONT gán băng thông gửi cho liệu hướng lên lần theo OLT tích hợp chức thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) ñể kết hợp với DBA việc phân bổ băng thông Thông thường hệ thống PON truyền liệu hướng xuống hướng lên sợi quang Trên sợi nối ñịnh hướng cho phép sử dụng bước sóng cho hai hướng, nhiên ñối với hệ thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lượng thông thường hướng sử dụng bước sống riêng Trong mạng PON bước sóng sử dụng 1490nm 1550nm cho hướng xuống 1310nm cho tín hiệu hướng lên Luận văn mơ tả cơng nghệ PON, 3G phát triển mạng truyền dẫn GSM/UMTS ñể hỗ trợ EDGE UMTS, nghiên cứu cấu trúc tối ưu với trọng tâm kỹ thuật cơng nghệ PON nhằm làm giảm lãng phí tài ngun dải thơng mạng truyền dẫn 3G để tiết kiệm đường dải thơng, tối ưu mạng truyền dẫn di động 3G Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA, mạng W-CDMA công nghệ PON tơi thực luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp tối ưu hóa việc phân bổ vị trí tần số mạng truyền dẫn 3G” Luận văn tơi trình bày chương, với nội dung chương 2, chương 3, gồm có: Chương 1: Hệ thống thơng tin di ñộng hệ thứ W-CDMA Chương 2: Công nghệ PON chuẩn hóa PON Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 3: Ứng dụng PON ñể phân bổ vị trí quy hoạch tần số mang 3G khu vực TP Bắc Giang Chương 4: Kết luận hướng mở luận văn Trong trình làm luận văn khó tránh khỏi sai sót, em mong ñược dẫn thầy cô giáo góp ý bạn để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS, TS Nguyễn Thanh Hà thầy cô giáo ñã giúp em hoàn thiện luận văn này! Thái Nguyên, ngày tháng năm Học viên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT AP Access Point ACCH Associated Control Channels ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line A-F Amplify-and-Forward AGC Auto-gain Control AI Acquisition Indicator AMPS Advanced Mobile Phone System AON Active Optical Network APC Auto Power Control APD Avalanche Photodiode ARQ Automatic Repeat Request AS Access Stratum ATC Automatic Threshold Control ATM Automated Teller Machine AWG Array Waveguide Grating AWGN Additive White Gaussian Noise BAN Broadband Access Networks BCCH Broadcast Control Channel BCH Broadcast Channel BER Bit Error Ratio BLD Bottom Level Detector BM-CDR Burst-mode Clock Data Recovery BM-LDD Burst-mode Laser Diode Driver BOSA Bidirectional Optical Sub-Assembly BPON Broadband Passive Optical Network BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Staysion Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang http://www.lrc-tnu.edu.vn BSC Base Staysion Controler BSS Base Staysion Subsystem BTS Base Tranceiver Station BWA Wroadband Wireless Access C/I CAPEX CarriertoInterferenceratio Captical Expenditure CATV Cable Television CCCH Common Control Channel CCPCH Common Control Physical Channel CDMA Code Division Multiple Access CDMA-PON Code Division Multiple Access Passive Optical Network CDR Clock Data Rercovery C-F Compress-and-Forward CMRP Caspacity Maximization with RS Placement CO Central Office CP Candidate Position CPCC Common Power Control Channel CPCH Common Packet Channel CPICH Common Pilot Channel CR Chip Rate CR Cooperative Relaying CRC Cyclic Redundancy Check CS Circuit Switch CT Cooperative Transmissions DBA Dynamic Bandwidth Allocation DCA Dynamic Chanel Allocation DCCH Dedicated Control Channel D-F Decode-and-Forward DFB Distributed Feedback Bragg DLP Dimensioning and Location Plainning DPCCH Dedicated Physical Control Chanel Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn khả ñáp ứng dung lượng lớn ðiều có nghĩa chi phí dàng cho mạng backhaul tăng dần lên Khi đó, tối ưu hóa chi phí mạng backhaul trở thành vấn đề then chốt ñối với hầu hết nhà khai thác Những ñầu tư thông minh cho mạng truyền tải lúc đem lại hội giảm chi phí khai thác tương lai ECI (ECI telecom, nhà cung cấp toàn cầu mạng giải pháp hệ mới) cho rằng, thị trường Việt Nam nay, 3G ñang tạo ñà phát triển cho dịch vụ gia tăng mạng di động Cho tới có khoảng 14.5 triệu người sử dụng mạng 3G Sự tăng trưởng nảy sinh từ khuyến mại giá phong cách sống ngày di ñộng Dự kiến số lượng thuê bao 3G phát triển tới 73 triệu vào năm 2014 (chiếm 26.6% tổng thị trường) Trong đó, di động băng thơng rộng khu vực tăng trưởng rộng lớn nhất, chủ yếu ñược thúc ñẩy trình truy nhập Internet ñộng phục vụ cơng việc giải trí ðồng thời yếu tố nhà mạng có xu tiếp tục giảm ARPU (dự kiến giảm từ 5,5$ Mỹ năm 2009 xuống 5$ Mỹ năm 2010) Trong đó, lợi nhuận dịch vụ di ñộng ñặc biệt nhạy cảm với chi phí truyền dẫn Backhaul Hình 3.2 Nhiều hạ tầng mạng backhaul gắn liền với công nghệ leased-line mạng tự xây dựng ñang sử dụng ñược giới hạn phân kết tập lưu lượng lớp (loại dựa ATM) Kiến trúc cũ khơng cịn phù hợp cung cấp dung lượng lớn Cụ thể thêm vào ñường leased-line chi phí tăng theo hàm mũ Như có nghĩa phương diện kinh tế cơng nghệ khơng đáp ứng u cầu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 55 http://www.lrc-tnu.edu.vn ðể ñạt ñược mục tiêu giảm giá thành tăng dung lượng cần phải phát triển mạng backhaul với yêu cầu: giảm OPEX (chủ yếu bao gồm mặt triển khai mức tiêu thụ ñiện năng) dài hạn; ðạt ñược hiệu CAPEX (bao gồm số nút, cổng hoạt động, kĩ thuật triển khai xây dựng); Có khả mở rộng mạng truyền tải; Tương thích với cơng nghệ sử dụng tương lai Tơi đề xuất giải pháp: Hướng tối ưu hóa tồn cục việc phân bổ vị trí nhiều ONU mạng lưới truy cập PON - WCDMA Chúng so sánh hiệu suất SA HC với thuật tốn Greedy (tham lam), đề xuất [7], kết luận kết ñạt ñược so sánh với thuật toán từ SA HC, yêu cầu xử lý thấp nhiều ñể ứng dụng công nghệ PON cho nâng cấp, quy hoạch tối ưu hóa vị trí mạng 3G 3.3 Quy hoạch vị trí ðối với mạng truy cập khơng dây quy mơ lớn bao gồm khu vực thị, chu trình tối ưu tái sử dụng tần số quan trọng ñể tăng lực hệ thống khơng dây Mặc dù quy hoạch tần số thực sau quy hoạch vị trí, thiết kế chung quy hoạch vị trí quy hoạch tần số đạt đựơc hiệu suất tốt khó khăn nhiều Chúng ta mở rộng nghiên cứu cách giả ñịnh yếu tố tái sử dụng tần số Nói cách khác khía cạnh khác thiết kế kích thước mạng xem xét với quy hoạch vị trí để tăng thêm hiệu suất hệ thống điều kiện việc sử dụng băng thơng không dây Mạng truy cập quang - băng thông rộng khơng dây (gọi "mạng lưới lai" đây) bao gồm mạng khơng dây phía trước, hỗ trợ mạng truy cập quang học, tức là, mạng quang thụ ñộng (PON) Cấu trúc (xem H.3.3) giả ñịnh ñường cực quang (OLT) đặt Văn phịng trung tâm viễn thơng (CO) nguồn cấp liệu số ñơn vị mạng quang học (ONUs) Như vậy, từ ONU ñến OLT / văn phịng trung tâm (CO), chúng tơi có mạng lưới sợi quang truyền thống và, từ ONUs, người sử dụng cuối kết nối khơng dây, trực tiếp (trong bước nhảy đơn) thơng qua kiểu nhảy đơi Trong mạng lai điển hình, người sử dụng cuối cùng, ví dụ như, thuê bao với router không dây nhà riêng lẻ, nằm rải rác khu vực địa lý kết nối với Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 56 http://www.lrc-tnu.edu.vn ñiểm truy cập không dây (AP) thông qua truyền thông không dây Truy cập mạng "anycast" mạng , ví dụ, người dùng cuối kết nối với AP AP ñược ñặt ONUs Có thể có số ONUs chiến lược ñược ñặt ñể quản lý hiệu mạng lưới truyền tải Hình 3.3 Cấu trúc mạng truy cập băng rộng không dây ghép quang Thiết lập mạng lai ghép vấn đề quan trọng Chúng tơi đề nghị sợi quang chạy đến vị trí thích hợp vùng phủ sóng mạng, sau cho phép kết nối khơng dây để qua Vị trí ONUs đóng vai trị quan trọng để tối ưu hóa chi phí kiến trúc mạng lai ðể giải vấn đề này, chúng tơi đề xuất thuật tốn Greedy cho việc đặt nhiều ONUs mạng [7] Với ñịa ñiểm người sử dụng khơng dây, mục tiêu chúng tơi tìm vị trí tối ưu nhiều ONUs để giảm thiểu tất chi phí mạng (mà chúng tơi chọn ñể khoảng cách trung bình người sử dụng khơng dây đấu nối gần họ) Nhưng vấn đề việc tìm kiếm giải pháp tối ưu với chi phí số liệu khơng có hình thức khép kín Như vậy, chương này, chúng tơi cải tạo vấn đề vấn đề tối ưu hóa tồn cục lựa chọn hai thuật toán tối ưu tổ hợp phổ biến "Mơ luyện kim SA" “ Leo đồi HC" để giải vấn đề Chúng tơi thấy rằng, SA HC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 57 http://www.lrc-tnu.edu.vn cải thiện hội tiếp cận tối ưu tồn cục, thuật tốn Greedy thực tốt, kết hợp với tối ưu hóa tồn cục 3.4 Sự xếp nhiều ONU: Thuật toán tham lam Greedy Hiệu suất mạng phần lớn phụ thuộc vào việc triển khai ONUs Mục tiêu chúng tơi để đặt nhiều ONUs (gọi chúng N) ñúng khu vực ñịa lý nơi ñịa ñiểm người sử dụng biết đến, ví dụ khu dân cư Giả sử (Xi, Yi) vị trí thứ i ñấu nối, mà phục vụ người dùng (xj, yj), j ∈ (1,2, , k) Chúng tơi mơ hình chi phí để triển khai ONU thứ i khoảng cách trung bình "Euclide" từ ONU đến người sử dụng (và tất chi phí mạng) sau: Chúng tơi điều tra theo giải thuật Greedy để giải vấn ñề ñược nêu mục [1] Các yếu tố ñầu vào ñể giải thuật Greedy ñịa ñiểm người sử dụng, kết ñầu vị trí ONUs Chúng tơi bắt đầu với số ñiểm ñược ứng cử ban ñầu ñể ñặt ONUs Những điểm lựa chọn ngẫu nhiên tính tốn xác Các vị trí xác định ban đầu đạt cách chia khu vực lân cận thành nhiều không chồng chéo vùng sau đặt ONUs "trung tâm" vùng Sau đó, chúng tơi tìm thấy vector khoảng cách ONUs người sử dụng (có tọa ñộ ñược biết ñến trước) ðối với người dùng, chúng tơi hình thành tập lệnh (theo thứ tự tăng dần), với khoảng cách người dùng từ ONUs yếu tố tập hợp Sau đó, chúng tơi xác định đấu nối chính, (đó khoảng cách tối thiểu từ người sử dụng) gần số ONUs lưu (thứ hai gần nhất, thứ ba gần nhất, vv) Chúng tơi có người sử dụng cho ONUs chính, gọi người sử dụng phí bảo hiểm người sử dụng (người sử dụng gần ñể ONU) cho Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 58 http://www.lrc-tnu.edu.vn ñấu nối, tối ưu hóa vị trí ONU người dùng cao cấp ðối với tập hợp người dùng cao cấp (xj, yj), ∀ j ∈ (1,2,3, , k), đặt đấu nối họ, ONUi nghĩa phí bảo hiểm người sử dụng thể qua tọa độ X / Y Do Thời gian thuật toán Greedy O(kN +kNlogN) = O (kNlogN) Với k >> N trường hợp thực tế, thuật tốn Greedy chạy O(k), tuyến tính với số lượng người sử dụng 3.5 Thuật tốn để tối ưu hóa tồn cục Các giải pháp sinh giải thuật Greedy bị mắc kẹt tối ưu địa phương, gần với tối ưu toàn cục (như [7]) Các vấn đề việc tìm kiếm vị trí tối ưu ONUs với chi phí mạng tối thiểu (khoảng cách tối thiểu) khơng có giải pháp khép kín Chúng tơi cố gắng để tìm thấy chi phí mạng tối thiểu cách sử dụng số tối ưu hóa tồn cục nhu cầu chúng tơi Tập trung chúng tơi khơng phải để bẫy vào tối thiểu ñịa phương ðể ñạt ñược ñiều này, nghiên cứu hai kỹ thuật tối ưu hóa tổ hợp, mơ (SA) (HC) Chúng tơi so sánh giải pháp sản xuất Greedy với người sản xuất SA Chúng xác nhận giải pháp sản xuất SA cách chạy thuật tốn HC 3.5.1 Mơ thuật tốn luyện kim Simulated Annealing (SA) Mô (SA) tổng quát phương pháp "Monte-Carlo" ñược sử dụng rộng rãi xác suất siêu thuật toán (bởi khối SA có nguồn gốc từ phương pháp Monte-Carlo) [8] Thuật tốn có năm giai đoạn [8], [9], thể thuật tốn (1) SA có hai tiêu chuẩn hội tụ thu từ tối ưu tồn cục: 1) Tiêu chuẩn vịng lặp bên (tức là, cho T, số lần lặp lại cho ñến giải pháp ngừng cải thiện 2) bên ngồi vịng lặp / dừng tiêu chí: T ~ (tức mặt ñất / băng) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 59 http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.5.2 Áp dụng vấn ñề bố trí nhiều ONU theo SA - Giai đoạn khởi tạo: Khơng gian tìm kiếm chúng tơi người sử dụng mạng, nơi ñối tượng tương ñương với ONUs, Sini = vị trí ban đầu ONUs trả lại thuật toán Greedy Bây giờ, cần phải sửa đổi chức chi phí chúng tơi Trước đây, chi phí ONU khoảng cách trung bình người sử dụng phí bảo hiểm ONU Mục đích việc tối ưu hóa tồn cục để tìm thấy khoảng cách tối thiểu trung bình tất người sử dụng (không người sử dụng phí bảo hiểm) nhiều ONUs Vì vậy, thay đổi chức chi phí chúng tơi sau: Thuật tốn 1: Mơ (simulated annealing (SA)) - Giai ñoạn khởi tạo : T = nhiệt ñộ ủ ban ñầu, B = Hằng số Boltzmann , Sini = vị trí ban đầu đối tượng, F = Chi phí chức năng, Cini = Chi phí ban ñầu, k = Tỷ số làm mát ∈ [0,1] - Giai ñoạn xáo trộn : Tạo di chuyển ngẫu nhiên tức tái xác định vị trí đối tượng từ nơi khác ngẫu nhiên Sau xáo trộn, chúng tơi nhận Snew = vị trí đối tượng - Giai đoạn chi phí-tính tốn: Tính tốn chi phí vị trí sau xáo trộn, Cnew = chi phí sau xáo trộn - Giai đoạn chấp nhận: 1) Thay đổi chi phí, dC = Cnew - Cini Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 60 http://www.lrc-tnu.edu.vn 2) Chi phí chức năng, F (dC, T) = min(1, exp(-dC\(B*T)) Nếu dC âm, F = 1; Chấp nhận vị trí mới, Snew Cập nhật chi phí ban đầu chi phí mới, Cini = Cnew Nếu dC dương , F ∈ [0,1] Tạo số ngẫu nhiên, r ∈ [0,1] Nếu r CiniONUi, sau F ∈ [0,1] Vì vậy, chúng tơi chấp nhận di chuyển ñấu nối với xác suất ñịnh - Giai ñoạn cập nhật: cập nhật nhiệt ñộ ủ, T 3.5.3 Hiệu suất học Chúng nghiên cứu nhiều vấn đề vị trí đấu nối sử dụng SA để quan sát vị trí tối ưu đạt tồn cục Chúng tơi xếp yếu tố ñầu vào, thay ñổi số lượng ONUs (2,3,4,5), diện tích hình vng m2 (1000x1000, 2500x2500, 5000x5000, 7500x7500, 10000x10000), số lượng nút (100,250,500,750,1000) Mỗi cấu hình lặp lặp lại 20 lần (đối với tổng cộng 2000 thí nghiệm) Bảng 3.1 cho thấy lựa chọn thông số mô chúng tơi Nhiệt độ ủ ban đầu, T 10 Hằng số Boltzmann , B 0,01 Tỉ số làm mát, k 0,95 Vịng bên 100/T Nhiệt độ mặt đất, T 0,005 Vịng ngồi 190 Tổng số lặp lại 19.000 cho di chuyển (xáo trộn) Bảng 3.1 Thông số mô SA Trong tất thí nghiệm, SA trả chi phí thấp việc triển khai mạng lưới giải thuật tham lam (1) giảm chi phí (từ SA ñến Greedy) ONUs cá nhân thông thường thay ñổi từ 10% đến thấp 0,05% Sự cải thiện tổng chi phí từ SA tham lam thường 3% Vì vậy, Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 62 http://www.lrc-tnu.edu.vn suy rằng, SA trả tốt giải pháp, giải thuật Greedy tạo kết xác Chúng tơi trình bày số ví dụ minh họa SA cải thiện chi phí triển khai so với Greedy mạng lưới thử nghiệm với 100 người sử dụng thống ngẫu nhiên nằm 1000x1000 m2 Chúng triển khai ONUs mạng lưới Hình 3.4 cho thấy SA thực cải thiện chi phí đấu nối triển khai (ví dụ, tiết kiệm chi phí lớn từ SA cho ONU # 1, 6,38% cải thiện, tiết kiệm chi phí nhỏ cho ONU # 2, 0,05% cải thiện) chi phí tổng thể triển khai (cải thiện 2.70% ) Hình 3.4 Chi phí cải thiện riêng biệt ONUs với SA Hình.3.5 Bố trí ONUs với SA Greedy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 63 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.5 bố trí ONUs tối ưu với SA Greedy thiết lập thử nghiệm mô tả Con số cho thấy giải pháp trả lại Greedy (ONUs báo kim cương) làm di dời ONUs thân chúng sau SA (ONUs định hình vng) 3.5.4 Thuật tốn leo ñồi (Hill-Climbing Algorithm (Steepest Descent)) Hill-climbing (HC) thuật tốn phổ biến để giải vấn đề tối ưu hóa tổ hợp HC gốc mạnh sử dụng cho việc tìm kiếm giá trị tối thiểu hàm HC, chúng tơi bắt đầu với giải pháp ngẫu nhiên ban ñầu làm cho di chuyển ngẫu nhiên Chúng tơi tính tốn chi phí sau di chuyển chi phí chi phí cũ, chúng tơi chấp nhận di chuyển, khác từ chối trở lại trạng thái ban ñầu cho động thái Khơng giống SA, khơng quay lui xác suất tồn HC ðây lý sao, trường hợp chức đa phương thức, HC nhận bị mắc kẹt tối ưu ñịa phương [8] Tuy nhiên, chúng tơi sử dụng HC để xác minh kết chúng tơi thu từ SA Lý sau sửa đổi chức cơng thức chi phí chúng tơi (3) (4) kết hợp tuyến tính hàm chi phí công thức (1) (2) (với vô hướng α nhân) [7], cho thấy công thức (1) hàm lồi khơng âm xác định (n.n.d) dẫn phần hàm bậc hai Chúng tơi biết biến đổi tuyến tính hàm lồi hàm lồi Vì vậy, chức cơng thức chi phí chúng tơi (3) (4) có chức lồi Chúng thấy thử nghiệm chúng tơi chạy để xác nhận kết thu ñược từ SA tương phản với HC Chúng tơi cho thấy hiệu suất thuật tốn Greedy Chúng thay ONUs với 100 người sử dụng diện tích 1000x1000 m2 Bảng 3.2 cho thấy SA HC ñều ñạt mức tối thiểu, mức tối thiểu toàn cầu gần với giải pháp trả Greedy Bảng cho thấy tọa ñộ X / Y nơi ONUs triển khai Chi phí ONU Greedy 162.4903 154.7827 166.5855 164.7070 SA 152.1227 154.6986 160.8229 163.3764 HC 152.1227 154.6986 160.5855 163.3764 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 64 http://www.lrc-tnu.edu.vn Tọa ñộ X ONUs Greedy 247.3118 698.9247 757.2965 222.7343 SA 299.5392 708.1413 715.8218 256.5284 HC 299.5392 708.1413 715.8218 256.5284 Tọa ñộ Y ONUs Greedy 227.0169 270.1689 806.7542 744.8405 SA 279.5497 281.4259 761.7261 765.4784 HC 279.5497 281.4259 761.7261 765.4784 Bảng 3.2 Greedy so với SA H KẾT LUẬN Hiện việc thiết kế quy hoạch mạng phức tạp phụ thưộc nhiều vào thực tế khu vực Việc triển khai thực tế mạng vô tuyến PON - 3G áp dụng theo lộ trình cứng nhắc nào, điều tùy thuộc vào hồn cảnh cụ thể, vào ñiều kiện phát triển thị trường thị phần nhà khai thác Trong chương trình bày: Ứng dụng cơng nghệ PON ñể quy hoạch, nâng cấp,tối ưu hóa việc phân bổ vị trí tần số mạng truyền dẫn 3G khu vực Tp Bắc Giang Qua dự báo số lượng thuê bao 3G mạng Vinaphone Tp Bắc Giang, tiến hành khảo sát nhu cầu khu vực Quận/huyện từ đưa kết u cầu phủ sóng định cỡ dung lượng mạng Sau ñịnh cỡ mạng, quy hoạch vùng phủ ñi ñến quy hoạch chi tiết, tính tốn số lượng node, chọn vị trí đặt trạm tiến hành khảo sát sơ vị trí cần lắp đặt chương nêu thuật tốn để áp dụng cho tính tốn việc chọn vị trí dây cho cơng nghệ PON – 3G Vì cơng việc khác quy hoạch cơng nghệ 3G thông thường Việc nghiên cứu dừng lý thuyết tính tốn mơ cần lộ trình cụ thể cho việc triển khai thực tế Chúng tơi điều tra bố trí nhiều ONUs Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 65 http://www.lrc-tnu.edu.vn cách sử dụng thuật tốn tối ưu hóa tồn cục, là, mơ SA leo đồi HC Chúng tơi đo độ xác thuật toán Greedy mục [7] với tối ưu hóa tồn cục Chúng tơi thấy giải thuật Greedy thực tốt việc giảm thiểu chi phí mạng, đạt kết gần đến mức tối thiểu tồn cục, u cầu tiến trình thấp nhiều so với phương pháp quy hoạch thực trước Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 66 http://www.lrc-tnu.edu.vn KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI Sau tháng thực hiện, luận án “Ứng dụng công nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp,tối ưu hóa việc phân bổ vị trí tần số mạng truyền dẫn 3G khu vực Tp Bắc Giang" hồn thành ðề tài với mục đích nghiên cứu tìm hiểu ñưa giải pháp quy hoạch nâng cấp, tối ưu hố việc phân bổ vị trí tần số mạng PON – 3G vơ cấp thiết việc kinh doanh phát triển mạng thời gian đến Và cơng tác quy hoạch thiết kế chi tiết giúp nhà kinh doanh mạng tối ưu tài nguyên xử lý hệ thống, chất lượng mạng chi phí đầu tư mạng 3G Tuy nhiên ñây việc thực tối ưu hóa vị trí ONUs mạng cách sử dụng thuật tốn q trình sử dụng Do việc thu thập số liệu đo kiểm phân tích thơng số hoạt động mạng thời gian mạng ñi vào hoạt ñộng với việc xây dựng chương trình triển khai chi tiết mạng, mơ tối ưu cơng tác quy hoạch hường ñề tài ðể mạng lại ứng dụng rộng rãi, đề tài xây dựng mơ hình tính tốn vị trí ONUs quy hoạch mạng cho hệ thống vơ tuyến PON- 3G, ngồi phạm vi áp dụng cho mạng khu vực Tp Bắc giang, đề tài hồn tồn vận dụng để triển khai cho mạng khu vực khác Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 67 http://www.lrc-tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Sách “Thông tin di ñộng hệ ba”, Nhà xuất Bưu ðiện, 2001 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Sách “cdmaOne cdma2000”, Nhà xuất Bưu ðiện, 2003 Quang minh, Công nghệ chuẩn hố mạng quang thụ động [4] ITU-T G.983, Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON), 2005 [5] S.Sarkar, B.Mukherjee, and S.Dixit, "Optimum placement of Multiple Optical Network Units (ONUs) in Optical Wireless Hybrid Access Networks ", Proc, OFC2006, March 2006 [6] http://www.cs.sandia.gov/opt/survey/ [7] S.Kirkpatrick, C.Gelatt, and M.Vecchi, "Optimization by Simulated Annealing" Science, vol.220, no.4598, page ,671-680, May1983 [8] R.OttenandL.Ginneken, The Annealing Algorithm, Kluwer, 1989 [9] B Lin, P H Ho, L L Xie and X Shen, \Optimal Relay Station Placement in IEEE 802.16j Networks," inProc ACM IWCMC, Honolulu, Hawaii, Aug 12-16 2007 [10] G Shen, R S Tucker and C Chae, \Fixed mobile convergence architectures for broad-band access: integration of EPON and WiMAX,"IEEE Commun Mag., vol 45, no 8,pp 44{50, Aug 2007 [11] B Lin, P H Ho and X Shen , \Network Planning for Next-Generation Metropolitan-Area Broadband Access under EPON-WiMAX Integration ," inProc IEEE Globecom,New Orleans, LA, USA, Nov 30 - Dec 2009 [12] S Sarkar, S Dixit, and B Mukherjee, \Hybrid wireless-optical broadbandaccess net-work (WOBAN): a review of relevant challenges,"IEEE Journal of Lightwave Tech.,vol 25, no 11, pp 3329{3340, Nov 2007 [13] Wong, N Cheng, K Balasubramanian, X Zhu, M Maier, and L G K azovsky, \Hybrid architecture and integrated routing in a scalable optical- Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 68 http://www.lrc-tnu.edu.vn wireless access network,"IEEE Journal of Lightwave Technology, vol 25, no 11, pp 3443{3451, Nov 2007 [14] http://www.ieee.org Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 69 http://www.lrc-tnu.edu.vn ... hiểu cơng nghệ W-CDMA, mạng W-CDMA cơng nghệ PON tơi thực luận văn: ? ?Nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp tối ưu hóa việc phân bổ vị trí tần số mạng truyền dẫn 3G? ?? Luận văn... tài: ? ?Nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ PON để quy hoạch, nâng cấp tối ưu hóa việc phân bổ vị trí tần số mạng truyền dẫn 3G? ?? thầy giáo PGS TS Nguyễn Thanh Hà hướng dẫn cơng trình tổng hợp nghiên cứu. .. CƠNG NGHỆ PON ðỂ QUY HOẠCH TỐI ƯU HỐ VỊ TRÍ VÀ TẦN SỐ MẠNG TRUYỀN DẪN 3G- WCDMA TẠI KHU VỰC TP BẮC GIANG? ??……………………………………….44 3.1 Giới thiệu………………………………………………………………44 3.2 Nhu cầu tối ưu hố mạng backhaul……………………………………45