Tổng Quan Mạng Di Động Tế Bào Và Các Thuật Toán Mượn, Khoá Kênh

phương pháp tìm kiếm có độ phức tạp thông điệp thấp nhưng thời gian trễ thu kênh dài hơn. FDCBS thực hiện thỏa thuận giữa tế bào hiện thời với các tế bào liên quan như sau: Khi trạng thái tải tế bào hiện thời là nóng, nó đóng vai trò mượn kênh, ngược lại, khi trạng thái tải của nó là lạnh nó đóng vai trò cho mượn kênh. Trong trường hợp tế bào có trạng thái tải trung bình thì nó không được phép mượn bất kỳ kênh nào từ bất cứ một tế bào khác, và cũng không cho bất kỳ tế bào nào mượn kênh từ nó. Pha di chuyển đa kênh liên quan đến việc quản lý sự di chuyển của các kênh từ một tế bào tới tế bào khác. Trong các thuật toán truyền thống khi một tế bào yêu cầu và một tế bào đích được xác định, số kênh cấp phát chỉ là một kênh trong mỗi lần lặp. Điều này không hiệu quả nếu tải lưu lượng của hai tế bào là rất khác nhau. Ý tưởng của FDCBS là mượn một số kênh một lần thay vì chỉ có một giữa hai tế bào. Ví dụ, trong các mạng truyền thông đa phương tiện thế hệ mới, một cuộc gọi có thể cần nhiều kênh khác nhau tại một thời điểm. Ngoài ra, FDCBS cũng cho phép một tế bào yêu cầu có thể mượn nhiều kênh khác nhau tại một thời điểm, dựa trên tải lưu lượng của các tế bào, các kênh có khả năng và giảm thiểu chi phí mượn kênh.

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm thu được, FDCBS còn có nhiều hạn chế do bản chất của tập mờ: (1) cần chuyên gia con người để xác định trước hàm liên thuộc mờ ban đầu, tức là, các phương pháp này không thể xây dựng các hàm liên thuộc mờ từ tập dữ liệu huấn luyện một cách hoàn toàn tự động; (2) quá phức tạp và cần rất nhiều thời gian tính toán; 3) tạo ra quá nhiều luật mờ. Để khắc phục hạn chế của FDCBS, Yao-Tien Wang đã đề xuất bộ điều khiển mượn kênh động trên cơ sở bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ (NFDCBS) [48]. Bộ điều khiển này gồm bốn khối của bộ điều khiển logic mờ và mạng nơ ron-mờ. Hoạt động của NFDCBS cũng gồm 3 pha như FDCBS. Mục đích chính của bộ điều khiển nơ ron-mờ sử dụng trong NFDCBS là phát sinh tập luật mờ tự động bằng cách áp dụng các kỹ thuật học để tìm và điều chỉnh các tham số trên cơ sở tập dữ liệu huấn luyện.

Các phương pháp mượn kênh thông minh đã được đề xuất nói chung, thuật toán FDCBS, NFDCBS của Yao-Tien Wang nói riêng, đều tồn tại một số hạn chế do bản chất của mạng nơ ron, logic mờ. Các thuật toán này hoặc là quá phức tạp, hoặc là số lượng tính toán quá nhiều. Riêng thuật toán FDCBS phù thuộc mạnh vào tri thức chuyên gia, số luật quá lớn. Trong NFDCBS thì hạn chế: 1) khả năng xấp xỉ với dữ liệu đầu ra mong muốn hạn chế về mức độ chính xác, 2) số luật phát sinh tự động còn lớn,

3) sử dụng phép toán t-norms, t-cornom mà có nhiều sự lựa chọn khác nhau cho cùng một bài toán.

Từ quá trình phân tích, luận án sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

1) Thực hiện một số cải tiến đối với thuật toán NFDCBS để nâng cao chất lượng của mạng di động tế bào.

2) Đề xuất phương pháp mượn kênh động phân tán DBNFS trên cơ sở bộ điều khiển mạng nơ ron mờ có tích hợp phép đo subsethood NFS [33][57][58] để khắc phục các hạn chế của các thuật toán đề xuất bởi Yao-Tien Wang [47][48]. Bộ điều khiển này sử dụng liên kết mờ cho phép đo mức độ đóng góp của các phần điều kiện của tập luật lên phần kết luận sử dụng phép đo subsethood được đề xuất bởi Kosko [33], cho nên đầu ra xấp xỉ với dữ liệu mong muốn tốt hơn. Đồng thời NFS không bỏ qua thông tin kích cỡ số chiều của véc tơ đầu vào bộ điều khiển logic mờ, mà cũng không làm cường độ của các luật mờ giảm nhanh chóng khi số chiều đầu vào tăng như đã xẩy ra do dùng toán tử min hoặc toán tử tích trong các bộ điều khiển NFDCBS. Cuối cùng NFS loại bỏ được việc sử dụng các phép toán số học khoảng đối với các tập mức –α và cho phép giải thích rõ ràng hơn tác động của các luật mờ lên phần kết luận của tập luật mờ. NFS cũng loại bỏ được việc sử dụng toán tử mờ t-norms hoặc t-cornom trong các bộ điều khiển nơ ron –mờ truyền thống, đồng thời cho tín hiệu đầu ra số là một tổ hợp tuyến tính của các phần kết luận đã được giải mờ, cho nên tín hiệu đầu ra cũng “mịn” hơn so với các bộ điều khiển khác.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

Phương pháp DBNFS thực hiện mượn kênh phân tán kết hợp với các chiến lược khóa kênh, nên vấn đề cân bằng tải của mạng được đáp ứng động hơn, hiệu quả hơn so với NFDCBS (sử dụng phương pháp quản lý kênh tập trung và thực hiện cân bằng tải theo chu kỳ).

3) Thông qua mô phỏng, chúng tôi đánh giá xác suất khóa cuộc gọi, xác suất rớt cuộc gọi, sự cập nhật thông điệp, thời gian trễ thu kênh của phương pháp đề xuất. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp mượn, khóa kênh trên DBNFS cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp thông thường và các thuật toán FDCBS, NFDCBS của Yao-Tien Wang [47][48].

Mục tiêu của luận án tập trung nghiên cứu ba vấn đề chính. Vấn đề thứ nhất là so sánh và đánh giá các phương pháp mượn khóa kênh truyền thống, phương pháp mượn kênh FDCBS, NFDCBS để vạch ra những điểm hạn chế của các phương pháp này, từ đó đề xuất phương pháp cải tiến. Vấn đề thứ hai là đề xuất phương pháp mới sử dụng phép đo subsethood và chứng minh phương pháp mới hiệu quả hơn các phương pháp cũ và cải tiến. Vấn đề thứ ba là đề xuất mô hình mô phỏng và thu kết quả, đánh giá phương pháp mới.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là nghiên cứu phương pháp mới với các thuật toán mượn, khóa kênh sử dụng mạng nơ ron mờ, phép đo subsethood sử dụng tập dữ liệu huấn luyện trong chế độ online và batch để tăng dung lượng số cuộc gọi được phục vụ, thực hiện cân bằng tải hiệu quả và kịp thời, từ đó cải thiện và nâng cao các chỉ số chất lượng dịch vụ (QoS) của hệ thống di động tế bào.

Phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu phương pháp mượn khóa kênh trên mô hình mạng di động tế bào đề xuất.

Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Về nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu các thuật toán, các phương pháp mượn khóa kênh dựa vào các kiến thức cơ bản và các kết quả nghiên cứu lý thuyết đã công bố. Về nghiên cứu thực nghiệm, luận án thực hiện cài đặt các thuật toán, chạy thử

nghiệm thuật toán với các bộ số liệu đã được công bố, so sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm, từ đó kết luận tính ưu việt của phương pháp mới.

Bố cục của luận án gồm phần mở đầu và bốn chương nội dung, phần kết luận, danh mục công trình công bố và danh mục các tài liệu tham khảo. Chương 1 trình bày các khái niệm cơ bản về mô hình mạng di động tế bào và một số khái niệm quan trọng. Đồng thời chương 1 cũng trình bày tổng quan các phương pháp gán kênh, mượn khóa kênh truyền thống và chỉ ra những hạn chế của các phương pháp này.

Các đóng góp chính của luận án được trình bày trong chương 2, chương 3 và chương 4.

Chương 2 thực hiện khảo sát các phương pháp mượn kênh FDCBS trên cơ sở logic mờ, mà tập luật mờ được xây dựng sử dụng tri thưc chuyên gia; NFDCBS trên cơ sở mạng nơ ron mờ mà tập luật mờ được phát sinh và tối ưu tự động sử dụng tập dữ liệu huấn luyện. Chương 2 cũng chỉ ra những hạn chế của các phương pháp này và đề xuất một số cải tiến đối với NFDCBS.

Chương 3 trình bày phương pháp mượn khóa kênh mới sử dụng bộ điều khiển nơ ron mờ với phép đo subsethood. Trong chương này trình bày mô hình bộ điều khiển mượn khóa kênh phân tán, xây dựng bộ điều khiển mạng nơ ron mờ- subsethood và thuật toán huấn luyện online, huấn luyện batch. Đề xuất thuật toán mượn khóa kênh mờ, qui trình thực hiện mượn, khóa kênh và di chuyển đa kênh để cân bằng tải động mạng di động tế bào.

Chương 4 trình bày xây dựng mô hình mô phỏng, thực hiện phát sinh tập dữ liệu huấn luyện, huấn luyện mạng nơ ron, thực hiện chạy mô phỏng các thuật toán mượn, khóa kênh với các tham số giả định, sau đó phân tích, đánh giá kết quả thu được.

Cuối cùng, phần kết luận nêu những đóng góp của luận án, hướng phát triển và những vấn đề quan tâm của tác giả.

Chương 1. TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO VÀ CÁC THUẬT TOÁN MƯỢN, KHOÁ KÊNH

Chương này trình bày tổng quan về mạng di động tế bào, đặc biệt là các vấn đề gán kênh, tái sử dụng kênh, mượn, khoá kênh; đánh giá hiệu suất hoạt động của các thuật toán gán kênh, mượn, khoá kênh. Đây là những vấn đề liên quan đến nội dung nghiên cứu chính của luận án.

1.1. Mở đầu

Mạng thông tin di động tế bào đã trải qua nhiều thế hệ: 1G, 2-2.5G, 3G, 4G và hiện nay đang nghiên cứu 5G [1]. Hình 1.1 cho thấy sự tiến hóa của các thế hệ đều nhằm tăng tốc độ dữ liệu, tăng khả năng di động và khả năng dịch vụ.

Hình 1.1: Sự phát triển qua các thế hệ của mạng di động tế bào

 Thế hệ 1G: là công nghệ điện thoại không dây thế hệ thứ nhất. Đặc điểm của 1G là chỉ có dịch vụ thoại và sử dụng tín hiệu tương tự (thoại được điều chế và

truyền với kỹ thuật tương tự) với tốc độ 14,4kbps và sử dụng công nghệ đa truy cập FDMA. Các chuẩn tiêu biểu của họ 1G là:

 NMT (Nordic Mobile Telephone)

 AMPS (Advanced Mobile Phone System)

 TACS (Total Access Communications System)

 ETACS (European Total Access Communications System)

 JTACS (Japanese Total Access Communications System)

 2G: là công nghệ điện thoại không dây thế hệ 2. Đặc trưng của 2G là nó cải tạo chuẩn 1G với thoại được truyền số, dịch vụ nhắn tin SMS và tốc độ truyền là 144kbps. Chuẩn 2G phân làm 2 loại dựa vào phương pháp đa truy cập kênh:

 TDMA: tiêu biểu là chuẩn GSM

 CDMA: tiêu biểu là chuẩn IS-95

 3G: Thế hệ thứ 3 của viễn thông di động được biết như là họ chuẩn IMT-2000. 3G thể hiện phạm vi dịch vụ rộng rãi: voice/video/data (truyền hình IP, video theo nhu cầu, hội thảo trực tuyến, dịch vụ y tế từ xa,...), tốc độ cao từ 2M-5Mbps/348Kbps trong trường hợp di động tốc độ thấp/cao, khối mã hóa và chức năng xác thực tốt hơn. Các chuẩn 3G tiêu biểu gồm:

- Họ chuẩn CDMA 2000 mà tiêu biểu EV-DO với đặc trưng là truy cập Internet băng thông rộng.

- W-CDMA hoặc UMTS.

 4G: Thế hệ này có họ chuẩn là IMT-A (IMT-A/4G). IMT-A/4G mang lại khả năng giá trị gia tăng hơn 3G [1] và thể hiện một vài khác nhau cơ bản: Theo định nghĩa

[1] “4G là hệ thống của các hệ thống, mạng của các mạng mà tích hợp hoàn toàn dựa trên IP”. Nếu 3G sử dụng cả 2 phương pháp truyền thông chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh để truyền dữ liệu thì 4G là công nghệ chỉ dựa trên chuyển mạch gói. 4G cũng thể hiện khả năng: 1) hội tụ và tích hợp các mạng truy cập không thuần nhất, 2) hội tụ đầu cuối người sử dụng. Kiểu hội tụ thứ nhất qui về khả năng

truy cập mạng 4G qua vô số các mạng vô tuyến khác nhau như DAB/DVB, GSM, IMT-2000, WLAN, kết nối khoảng cách ngắn với Bluetooth, IR, UWB, xDSL…; Kiểu hội tụ thứ 2 (hội tụ đầu cuối) tiến tới ý tưởng đầu cuối thông minh, cho phép kết nối mạng 4G (bằng cách chọn mạng truy cập phù hợp) mọi nơi, mọi lúc và cho phép truyền và nhận mọi kiểu nội dung. Đặc điểm và các yêu cầu nổi bật của mạng 4G là [1]:

 Khả năng di động rất cao

 Tốc độ truyền dữ liệu lớn: 100Mbps khi di chuyển tốc độ cao, 1Gbps khi di chuyển chậm.

 Sự phong phú của các ứng dụng và các dịch vụ khác nhau.

 Thể hiện sự phối hợp hoạt động giữa các mạng/ hệ thống truy cập khác nhau như một kiến trúc thống nhất.

 Dò tìm mạng và chọn mạng (ABC).

 Công nghệ và topo độc lập

 Thực hiện chuyển giao liên tục và đảm bảo thực hiện cung cấp dịch vụ liên tục với cơ chế chuyển giao horizontal/vertical.

Hiện nay ứng cử 4G tiên tiến nhất được thể hiện bởi chuẩn Wimax 802.16m [1], LTE-A (các công nghệ 802.16e và 3GPP LTE chỉ được xem là 3.9G, chưa phải 4G). Nền tảng của công nghệ 4G chính là sự kết hợp giữa phương pháp truy cập OFDMA với hệ thống an ten MIMO.

Đến nay, 4G đã trở thành thế hệ tiên phong của công nghệ mới. Trên cơ sở 4G, thế hệ mới tiên tiến hơn nữa cho phép liên kết toàn bộ thế giới truyền thông hiện nay cũng đang được triển khai nghiên cứu và nó được biết như là thế hệ thứ 5 (5G). Đa số các nghiên cứu hiện nay đều định nghĩa khái niệm 5G, các thuộc tính, yêu cầu và mô tả công nghệ 5G qua công nghệ 4G. Ngoài ra 5G còn được đề xuất (2009) [1] lần đầu tiên trong lý thuyết qua khái niệm WISDOM với công thức:

5G=4G&WISDOM (1.1)

Nguyên tắc của WISDOM là mang lại sự kết nối thế giới vô tuyến không hạn chế, hội tụ và liên kết các thành phố, các quốc gia, các châu lục và cuối cùng toàn thế giới với nhau mà thể hiện một sự đa dạng phong phú của các dịch vụ đa phương tiện với tốc độ dữ liệu rất cao.

1.2. Mô hình mạng di động tế bào

1.2.1. Khái niệm tế bào

Khái niệm tế bào xuất phát từ các hệ thống mạng của Bell theo chuẩn AMPS [2][3][4], đó là một kiến trúc mạng được tổ hợp từ các tế bào hình lục giác (Hình 1.2).

Hình 1.2: Mạng di động tế bào

Mỗi ô hình lục giác còn được gọi là một tế bào. Các tế bào biểu diễn cho các vùng địa lý khác nhau. Kích thước mỗi tế bào thay đổi tùy theo vùng. Bên trong các tế bào: máy tính, PDA, Pocket PC, điện thoại, … gọi chung là thiết bị di động(MS) có