V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: 1 TS Nguyễn Đình Long
3 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT DÙNG PHÂN CỤM VÀ PHÂN BỔ
3.2 Xây dựng mạng phân tán với mơ hình phân cụm dùng coalition game
cụm dùng coalition game (P1)
Mục này giới thiệu một coalition game để phân cụm các SBS. Trong UDN, việc phân cụm hiệu quả các SBS để phục vụ các SUE trong UDN là cần thiết bởi vì ba ngun nhân chính sau đây:
1. Giảm can nhiễu: Khi mật độ các small cell cao, can nhiễu liên cell trở thành một thách thức lớn trong UDN, đặc biệt với các SUE ở vùng giao giữa các small cell. Kỹ thuật truyền kết hợp giữa các SBS được xem xét trong luận văn để giải
quyết vấn đề này. Các SBS gần nhau gây ra can nhiễu nghiêm trọng lẫn nhau có thể xem xét để tạo thành một cụm. Các thành phần can nhiễu trong cụm (intra-cluster interference) sẽ được loại bỏ bởi vì các SBS bắt tay nhau để truyền tín hiệu đến UE.
2. Tăng cường tín hiệu: Trong UDN, SUE trong vùng giao giữa hai hoặc nhiều small cell thường xa SBS chính của nó trong khi nhận can nhiễu lớn từ các SBS khác. Trong nhiều trường hợp, việc sử dụng thêm vài SBS này để hỗ trợ SBS chính phục vụ các UE giúp cải thiện cơng suất của tín hiệu mong muốn. Hơn nữa, việc nhiều SBS ở khoảng cách ngắn truyền đồng thời một tín hiệu đến một UE khơng những giúp tăng cường chất lượng của tín hiệu mà cịn giảm khả năng mất tín hiệu do bị che chắn (tăng diversity gain).
3. Giảm quá trình chuyển tiếp (handover process): Các small cell trong UDN có kích thước nhỏ để tăng số lượng UE có thể truy cập ở những nơi có mật độ UE cực cao. Tuy nhiên, khi kích thước của cell nhỏ thì số lần chuyển tiếp khi UE di chuyển giữa các cell tăng lên. Đặc biệt, khi UE di chuyển với tốc độ cao thì yêu cầu bộ xử lý trung tâm phải thực hiện tính tốn q trình chuyển tiếp phức tạp, với số lượng lớn người dùng, trong thời gian ngắn. Do đó, nếu các cell kết hợp với nhau tạo thành một cell lớn hơn tạm thời thì số lần chuyển tiếp giảm đáng kể.
Chính vì những lý do trên, các small cell liền kề có xu hướng tham gia vào các cụm để nhận được giá trị lợi ích cao hơn thay vì hoạt động độc lập. Trong quá trình phân cụm, mỗi SBS cần xem xét liệu nó có nên hợp tác với các SBS khác để hình thành một liên minh (coalition) phục vụ SUE cùng nhau. Điều này thể hiện mối quan hệ hợp tác giữa các SBS. Do đó, coalition game, một loại trị chơi hợp tác (cooperative game), được đề xuất giải quyết vấn đề phân cụm. Các người chơi có xu hướng hợp tác với nhau để đạt được lợi ích tổng cộng cao hơn so với khi hoạt động riêng lẻ. Đầu vào của một coalition game là tập người chơi và hàm hoặc vector chứa hàm giá trị cho từng người chơi. Lời giải đầu ra của coalition game là tập chứa các liên minh (coalitions) thể hiện cho cách phân chia các cụm người chơi [148]. Hình 2.3 mơ tả một ví dụ minh họa các cụm small cell trong UDN. Thành phần can nhiễu trong cụm (intra-cluster
interference) bị loại bỏ vì tất cả các SBS trong một cụm chỉ phục vụ duy nhất một UE trên một kênh truyền con.
Việc phân cụm là bước tiền xử lý nên đòi hỏi đơn giản, tập trung vào mục tiêu giảm can nhiễu ở tầng small cell và tốc độ xử lý nhanh. Tỉ số tín hiệu và can nhiễu (SIR) của đường truyền từ cụm Ci đến SUEu được phục vụ bởi các SBS b′ trong cụm được mô tả bởi
SIRu = P b′∈Ci|hu,b′|2 P Cj∈C\Ci P b∈Cj|hu,b|2, (3.5)
trong đó, hu,b = N1 PNn=1h(n)u,b là giá trị trung bình đáp ứng kênh truyền từ SBS b đến SUE u.
Một coalition game được xây dựng để phân cụm các SBS như sau GAM E = ⟨P L,v⟩ với lợi ích của cụm khơng thể phân chia (non-transferable utility - NTU), trong đó P L=Bactive là tập người chơi (cụ thể là các SBS ở trạng thái hoạt động, có phục vụ ít nhất một SUE) vàv(C)⊆RC là tập các hàm lợi ích của các cụm [148]. Mỗi cụm Ci ∈ C là một liên minh (coalition) trong coalition game. Để thống nhất, trong luận văn, các liên minh (coalition) được gọi là các cụm trong bài tốn phân cụm trong UDN. Hàm lợi ích của cụm Ci được định nghĩa là tổng SIR đường truyền của các SUE được phục vụ bởi các SBS trong cụm với mơ tả tốn học như sau
v(Ci) = X u∈UCi
SIRu, (3.6)
Lời giải của coalition game này là tập hợp cấu trúc các cụm của các SBS trong UDN [148]. Trong các cụm này, khơng tồn tại bất kỳ SBS nào có xu hướng thay đổi cụm nó tham gia vào để đạt được giá trị lợi ích cao hơn. Hay nói cách khác, các cụm đang đạt trạng thái cân bằng và đây chính là lời giải của coalition game. Để xây dựng thuật tốn tìm lời giải của bài tốn phân cụm, luận văn giới thiệu hai loại hoạt động để thay đổi vị trí của SBS giữa các cụm là tách-nhập và hoán đổi [57].
tách-nhập được mơ tả như sau
{Ci,Cj} → {Ci∪ {b},Cj\ {b}}.
Hốn đổi: Mặt khác, nếu SBSb ∈ Cj hốn đổi vị trí với SBSb′ ∈ Ci thì hoạt động hốn đổi được mô tả như sau
{Ci,Cj} → {Ci∪ {b} \ {b′},Cj ∪ {b′} \ {b}}.
Để có thể xảy ra các hoạt động thay đổi vị trí của SBS kể trên thì giá trị lợi ích mang lại sau khi thay đổi phải lớn hơn giá trị đạt được trước đó. Khái niệm điều kiện ưu thích (preference condition) được định nghĩa là SBSb ưa thích cụmCi hơn cụmCj hay SBS b thích rời cụm Cj để tham gia cụmCi ký hiệu là Ci ≻b Cj nếu
v(Ci∪ {b}) +v(Cj \ {b})> v(Ci) +v(Cj).
Để thu được lời giải của coalition game này, thuật toán 1 được sử dụng. Thuật toán này sử dụng biến dmax để xác định các SUE liền kề có khoảng cách nhỏ hơn dmax m tính từ SBS b. Sau đó, một tập hợp các cụm liền kề với SBS b chứa các SUE liền kề này được xác định. Do đó, thuật tốn chỉ xét một vài cụm có khoảng cách gần với SBS b bởi vì can nhiều từ SBS b có tác động rất nhỏ đến các SUE ở xa (khoảng cách lớn hơn dmax) khi mạng hoạt động ở tần số cao. Thêm vào đó, các biến g và gn được sử dụng cho việc lựa chọn hoạt động thay đổi cụm tối ưu nhất cho SBSb trong mỗi vòng lặp. Nếu số lượng của SBS trong mỗi cụm tăng thì số lượng cặp SBS và SUE trong cụm có khoảng cách lớn hơndmax lớn. Điều này làm cho việc sử dụng thêm nhiều SBS để phục vụ cùng với SBS chính sẽ kém hiệu quả. Do đó, việc sử dụngNmax để giới hạn số lượng SBS trong mỗi cụm sẽ làm giảm độ phức tạp của thuật toán.
Algorithm 1 Phân cụm các SBS sử dụng coalition game
1: Đầu vào:Ma trận kênh truyềnH, tập người chơiP L=Bactive, vị trí của các SBS
và các SUE, số SBS tối đa trong một cụmNmax, số lượng kênh truyền conN,dmax 2: Khởi tạo ngẫu nhiên tập các cụm C(0), l = 0
3: while C(l) ̸=C(old)
4: C(old) ← C(l)
5: for b∈ Bactive
6: Giả sử b ∈ Cj, Cnear là tập các cụm có ít nhất một SUE nằm trong bán kính dmax với trung tâm là SBSb, the gap g = 0
7: for Ci ∈ Cnear
8: if |Ci|=Nmax và UCi+Ub−Ub′ ≤N và UCj +Ub′ −Ub ≤N 9: C(tmp)← Hoán đổi SBSb và SBSb′ ∈ Ci 10: gn =v(Ci∪ {b} \ {b′}) +v(Cj∪ {b′} \ {b}) 11: −v(Ci)−v(Cj) 12: else if UCi +Ub ≤N 13: C(tmp)← SBS b gia nhập vào cụm Ci 14: gn =v(Ci∪ {b}) +v(Cj \ {b})−v(Ci)−v(Cj) 15: end if 16: if gn > g 17: C(ok) ← C(tmp), g =gn 18: end if 19: end for 20: C(l) ← C(ok) 21: end for 22: l ←l+ 1 23: end while 24: Đầu ra:Tập hợp các cụm C