ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO ĐIỂM - ĐA ĐIỂM TRONG MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC. LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHAN THANH MINH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO ĐIỂM - ĐA ĐIỂM TRONG MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC Ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số ngành: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHAN THANH MINH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO ĐIỂM - ĐA ĐIỂM TRONG MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC Ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số ngành: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đặng Xuân Kiên TS Võ Nguyên Sơn TP Hồ Chí Minh – 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Điều khiển tối ưu luồng video điểm đa điểm mạng 5G siêu dày đặc” cơng trình nghiên cứu tơi thực Các kết kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định TP Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 02 năm 2021 Tác giả luận án Phan Thanh Minh ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án tiến sĩ này, nhận nhiều hỗ trợ Nhà trường, người hướng dẫn khoa học, đồng nghiệp gia đình Tơi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Đặng Xuân Kiên, Viện trưởng Viện Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Giao thông vận tải TP HCM động viên, khuyến khích hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận án Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Võ Nguyên Sơn, người thầy đồng nghiệp tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu suốt trình tơi thực luận án Tơi xin cảm ơn đồng nghiệp làm nghiên cứu Khoa Điện - Điện tử viễn thông, Trường Đại học Giao thông vận tải TP HCM Viện Nghiên cứu Khoa học Cơ Ứng dụng, Trường Đại học Duy Tân, TP HCM hỗ trợ tạo điều kiện cho thực luận án Tôi xin cám ơn gia đình hỗ trợ, động viên đồng hành suốt thời gian thực luận án Mặc dù cố gắng nỗ lực q trình nghiên cứu để hồn thành luận án, hạn chế kiến thức, kinh nghiệm thời gian nên luận án cịn nhiều thiếu sót Tơi mong nhận góp ý quý giá nhà khoa học bạn đọc để hoàn thiện luận án cách tốt tiếp tục cho nghiên cứu sau Xin trân trọng cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 02 năm 2021 Tác giả Phan Thanh Minh iii TÓM TẮT Sự bùng nổ mạng di động Internet góp phần thực hóa cách mạng cơng nghiệp 4.0 tồn giới với xu hướng vạn vật kết nối Internet (IoT) nhiều lĩnh vực khác Trong lĩnh vực cơng nghiệp tự động hóa điều khiển, phát triển công nghệ kết nối mạng đại giúp việc kết nối thiết bị nhiều vị trí khác cách đơn giản, nghĩa thành phần hệ thống điều khiển kết nối thông qua mạng truyền thông không dây cách dễ dàng Trong hệ thống điều khiển kết nối mạng (NCS – Networked Control System), việc kết nối khơng dây nhằm tăng tính linh hoạt, dễ dàng chẩn đốn bảo trì hệ thống xu hướng kỹ thuật điều khiển tự động hóa Song song với phát triển cơng nghệ, dịch vụ ứng dụng ngày phát triển, đòi hỏi liệu truyền thơng cực lớn Ước tính, vào năm 2023 có khoảng 5,3 tỷ người dùng kết nối Internet để trao đổi thông tin liệu chủ yếu liệu video (chiếm 79%) Để đáp ứng nhu cầu đó, ngồi việc nâng cấp hạ tầng mạng lõi (tốn nhiều chi phí), nâng cấp mạng di động không dây kiến trúc mới, công nghệ kỹ thuật quan tâm Cụ thể, mạng di động hệ thứ với kiến trúc siêu dày đặc (UDN – Ultra-dense Network) xem đầy tiềm chìa khóa để bước vào kỷ nguyên IoT Trong luận án này, tác giả nghiên cứu kiến trúc mạng 5G UDN, cải tiến công nghệ, kỹ thuật điều khiển, phân phối quản lý 5G UDN như: thiết kế phân cụm (cluster), lưu trữ đa tầng (multi-tier); điều khiển phát đa hướng (multicast); kỹ thuật phân bổ quản lý tài nguyên (resource allocation and management), kỹ thuật truyền thông phạm vi hẹp từ thiết bị đến thiết bị (D2D – Device-to-Device) để cải tiến hiệu phổ, mở rộng băng thông truyền, mở rộng phạm vi hoạt động mạng Ngoài ra, kỹ thuật điều khiển lưu trữ (caching) phân phối (delivering) video mạng 5G UDN tìm hiểu Từ đề xuất mơ hình điều khiển tối ưu luồng liệu video điểm - đa điểm mạng 5G UDN sử dụng kỹ thuật lựa chọn thiết bị lưu trữ thiết bị chia sẻ tài nguyên phổ tần xuống nhằm cực đại dung lượng hệ thống Tiếp đó, mở rộng mơ hình đề xuất cách xem xét thêm mối quan hệ xã hội người dùng ràng buộc độ dao động dung lượng nhằm iv đảm bảo tính cơng cao chất lượng dịch vụ người dùng Cuối cùng, mở rộng mơ hình đề xuất cách xem xét thêm tầng lưu trữ để linh hoạt việc lựa chọn nguồn cung cấp liệu Tất hệ thống đề xuất mơ hình tốn mơ máy tính dựa vào công cụ Matlab với giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithms) nhằm tăng tốc độ xử lý mà đảm bảo kết tối ưu tốn Các kết mơ chứng minh vượt trội mơ hình đề xuất so với chế thơng thường khác Từ khóa—điều khiển tối ưu, hệ thống điều khiển kết nối mạng, mạng 5G siêu dày đặc, luồng video, truyền thông từ thiết bị đến thiết bị, truyền thông điểm - đa điểm, vạn vật kết nối Internet v ABSTRACT The mobile network explosion and the Internet development have played an important role in the realization of the Industrial Revolution 4.0 towards the Internet of Things (IoT) in various areas all over the world In the automation and control industry, ubiquitous devices and control system components are easily connected thanks to the development of disruptive wireless networking technologies In the networked control system (NCS), recently studies on increasing the flexibility, the ease of diagnose, and the system maintain capacity based on wireless connections have drawn significant attention from the control and automation community Simultaneously, advanced services and applications have been rapidly developed leading to the requirement of extremely large communication traffic It is estimated that by 2023 there will be about 5.3 billion mobile users (MUs) connected to the Internet to exchange data, especially video (accounting for 79%) This in turn requires not only the core network upgrades in a costly deployment but also the emerging wireless architectures, system models, techniques, and optimization designs in a much more cost-effective manner, so as to meet the upcoming surge of MUs’ demand In this context, the 5th generation ultra-dense networks (5G UDN) is considered as a promising architecture and also the key to the IoT era In this thesis, the author focuses on the 5G UDN architecture and related technologies, control techniques, and resource allocation and management solutions Particularly, techniques such as cluster, multi-tier, multicast, and device-to-device communication; as well as storage and spectral resource allocation and management solutions are studied to improve the spectral efficiency, enlarge the bandwidth, and expand the network coverage/connectivity Furthermore, caching and delivering control techniques for video streaming in 5G UDN are explored These techniques enable the author to propose the joint optimal control of downlink resource sharing and caching selection for maximizing the capacity of multicast video streaming in 5G UDN Then, the aforementioned control method is developed by considering the social relationship between the MUs and the capacity fluctuation constraint among the MUs vi to ensure the fairness of quality of service Finally, one more tier for caching is added to the proposed solution for more flexibility in video source selection control All the system models are formulated and simulated on computer with Matlab and Genetic Algorithms (GAs) to increase the processing speed while ensuring the exact or approximated optimal results of the optimization problems The simulation results demonstrate the benefits of the proposed solutions compared to other conventional benchmarks Index Terms—Optimal control, Networked Control System, 5G ultra-dense networks, video streaming, device-to-device (D2D) communications, multicast communications, Internet of Thing (IoT) vii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT v MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC BẢNG xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ xiii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu, đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu 2.1 2.2 2.3 2.4 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu, kết đạt được, ý nghĩa khoa học thực tiễn 3.1 3.2 3.3 Nhiệm vụ nghiên cứu Kết đạt Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI MẠNG 11 1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển kết nối mạng .11 1.2 Tổng quan 5G UDN 13 1.3 Truyền video 5G UDN 16 1.3.1 Truyền từ trạm 18 1.3.2 Truyền D2D .19 1.3.3 Truyền phối hợp đa tầng 20 1.4 Mơ hình kênh truyền 20 1.5 Mơ hình mối quan hệ xã hội người dùng 21 viii 1.6 Truyền video điểm - đa điểm 21 1.7 Hiện trạng nghiên cứu phân cụm, lựa chọn truyền thông điểm - đa điểm 22 1.8 Tổng kết chương 23 CHƯƠNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN VÀ ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO 24 2.1 Tổng quan thuật tốn tìm kiếm tối ưu 24 2.2 Tổng quan thuật toán GA 25 2.2.1 Giới thiệu GA 25 2.2.2 GA so với phương pháp truyền thống 27 2.3 Lưu đồ thành phần thuật toán di truyền 28 2.3.1 Lưu đồ thuật toán di truyền 28 2.3.2 Các thành phần thuật toán di truyền 29 2.3.3 Kết thúc GA .33 2.4 Một số toán ứng dụng GA điều khiển luồng video 34 2.5 Tổng kết chương 36 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN LƯU TRỮ VÀ CHIA SẺ PHỔ TẦN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO ĐIỂM - ĐA ĐIỂM TRONG 5G UDN 37 3.1 Giới thiệu chế DRS-CHS 37 3.1.1 Sự cần thiết chế DRS-CHS 37 3.1.2 Hiện trạng nghiên cứu liên quan đến D2DC điểm - đa điểm 39 3.1.3 Tính chế DRS-CHS .40 3.2 Mơ hình tính tốn thơng số hệ thống DRS-CHS 43 3.2.1 Mơ hình hệ thống DRS-CHS 43 3.2.2 Tính tốn thơng số hệ thống DRS-CHS 45 3.3 Bài toán giải pháp tối ưu DRS-CHS 46 3.3.1 Bài toán tối ưu DRS-CHS 46 3.3.2 Giải pháp tối ưu DRS-CHS dùng GA 48 3.4 Đánh giá kết 50 3.4.1 Sự hội tụ GA 51 3.4.2 Hiệu suất hệ thống DRS-CHS 51 3.5 Kết luận chương 55 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN LƯU TRỮ VÀ CHIA SẺ PHỔ TẦN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO ĐIỂM - ĐA ĐIỂM DỰA TRÊN MỐI QUAN HỆ XÃ HỘI NGƯỜI DÙNG TRONG 5G UDN 57 4.1 Giới thiệu chế SSC 58 4.1.1 Sự cần thiết chế SSC 58 ... MINH PHAN THANH MINH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO ĐIỂM - ĐA ĐIỂM TRONG MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC Ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số ngành: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN... ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: ? ?Điều khiển tối ưu luồng video điểm đa điểm mạng 5G siêu dày đặc” cơng trình nghiên cứu tơi thực Các kết kết luận luận án trung thực, không chép... thống DRS-MCS điều khiển luồng video điểm - đa điểm 88 Hình 5.2 Mơ hình hệ thống DRS-MCS điều khiển luồng video điểm - đa điểm 5G UDN 89 Hình 5.3 Dung lượng hệ thống DRS-MCS theo