Mượn, Khóa Kênh Động Trên Cơ Sở Bộ Điều Khiển Logic Mờ Và Mạng Nơ Ron

phương pháp truyền thống và cho kết quả tốt hơn các thuật toán mượn kênh đã xét trong phần 1.4 ở trên.

1.6. Kết luận

Trong chương này luận án đã xem xét tổng quan về mạng di động tế bào, các khái niệm cơ bản, sự cấp phát kênh cũng như so sánh các phương pháp cấp phát kênh FCA, DCA, HCA và xét tính hiệu quả của chúng. Đặc biệt trong đó luận án đã xét các thuật toán mượn/khoá kênh để nâng cao khả năng của mạng di động tế bào do tài nguyên của mạng là hạn chế, từ đó nâng cao dung lượng, chất lượng dịch vụ và tăng khả năng cân bằng tải của toàn hệ thống. Nội dung của chương này chính là cơ sở để xét và đề xuất các phương pháp mượn, khoá kênh mới mà sẽ được xét trong các chương tiếp theo của luận án.

Chương 2. MƯỢN, KHÓA KÊNH ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ VÀ MẠNG NƠ RON

Trong chương 2 luận án sẽ khảo sát thuật toán mượn, khóa kênh và cân bằng tải động trên cơ sở bộ điều khiển logic mờ FDCBS và mạng nơ ron mờ NFDCBS được đề xuất bởi tác giả Yao-Tien Wang [47][48]. Đánh giá những hạn chế của các thuật toán này, đồng thời đề xuất một số cải tiến đối với thuật toán NFDCBS. Sau đó, chương 2 cũng chỉ ra những hạn chế của phương pháp mượn kênh trên cơ sở bộ điều khiển logic mờ, bộ điều khiển nơ ron –mờ truyền thống, và đề xuất phương pháp mượn, khóa kênh mới trên cơ sở bộ điều khiển mạng nơ ron- mờ sử dụng phép đo subsethood.

2.1. Mở đầu

Trong các phương pháp mượn, khóa kênh truyền thống thường sử dụng giá trị ngưỡng để xác định trạng thái tải của tế bào [5][6][7][30]. Nhưng việc xác định giá trị ngưỡng tải tế bào phù hợp là cực kỳ khó khăn và tốn nhiều thời gian tính toán. Mặt khác việc sử dụng ngưỡng để phân tách trạng thái tải tế bào dễ gây ra hiệu ứng quả bóng bàn [7][30]. Vì khi tải tế bào dao động xung quanh ngưỡng sẽ gây cho hệ thống mất ổn định và truyền các thông điệp không cần thiết mức độ cao. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của toàn hệ thống. Mặt khác số cuộc gọi đến, thời gian thực hiện cuộc gọi là bất định và không biết trước. Điều này đặt ra yêu cầu bức thiết là cần phải có một cơ chế dự báo phù hợp hơn, hiệu quả hơn. Đa số các phương pháp được đề xuất gần đây đều sử dụng các công cụ tính toán thông minh, mà trong đó mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen, lý thuyết bầy đàn là chủ yếu. Việc sử dụng các phương pháp tính toán thông minh, hoặc kết hợp các phương pháp này với các phương pháp mượn, khóa kênh truyền thống đã cải thiện đáng kể dung lượng, chất lượng hệ thống di động tế bào. Trong đó các thuật toán được đề xuất bởi Yao-Tiên Wang [47][48] là các thuật toán được quan tâm đặc biệt bởi hiệu quả của nó.

Yao-Tien Wang đã phát triển thuật toán mượn kênh FDCBS [47] trên cơ sở bộ điều khiển logic mờ. Thuật toán FDCBS cho phép khắc phục được hạn chế của các phương pháp truyền thống và dự báo được trạng thái tải của tế bào. FDCBS thể hiện khả năng thích nghi, khả năng dung sai lỗi tốt hơn so với các thuật toán khác. Đồng thời nó cũng cho phép giảm xác xuất khóa kênh, xác suất dớt cuộc gọi, độ phức tạp truyền thông điệp và thời gian trễ thu kênh. Nhưng cũng như nhiều thuật toán khác, FDCBS cũng còn bộc lộ nhiều nhược điểm như FDCBS phụ thuộc mạnh vào tri thức chuyên gia, khó bao quát hết các trường hợp xẩy ra khi bài toán phức tạp, và khả năng xấp xỉ bị hạn chế do bản chất của việc thiết kế tập luật điều khiển mờ. Trong [48], Yao- Tien Wang đã khắc phục điều đó bằng cách đề xuất bộ điều khiển mượn kênh động NFDCBS. NFDCBS sử dụng mạng nơ ron mờ với tập dữ liệu huấn luyện để phát sinh tập luật tự động nên ít phụ thuộc vào tri thức chuyên gia lĩnh vực hơn. Sau đây luận án sẽ khảo sát các thuật toán này của Yao-Tien Wang và chỉ ra những điểm hạn chế của chúng. Sau đó luận án cũng đề xuất một số cải tiến đối với các thuật toán này nhằm tăng dung lượng và cải thiện nâng cao chất lượng của hệ thống mạng di động tế bào.

2.2. Thuật toán mượn kênh FDCBS và NFDCBS

2.2.1. Mô hình hệ thống mạng di động tế bào

Mô hình hệ thống di động tế bào được FDCBS giả thiết như sau: hệ thống bao gồm một số tế bào hình lục giác, mỗi tế bào được phục vụ bởi một trạm cơ sở (BS). Trạm cơ sở và trạm di động (MS) truyền thông với nhau qua kênh liên kết vô tuyến. Mỗi tế bào được cấp một số kênh CH cố định và tập kênh đó sẽ được sử dụng lại trong các tế bào mà cách nó khoảng cách tối thiểu đủ xa để tránh nhiễu. Một nhóm các tế bào liên tiếp sử dụng các kênh phân biệt hình thành một mẫu Compact bán kính R. Xét một tế bào c, các tế bào lân cận nhiễu của c được định nghĩa bởi IN(c)={c'| dist(c,c')

<Dmin}, trong đó Dmin là khoảng cách tối thiểu giữa các tế bào đồng kênh được xác định bởi công thức Dmin=3(3R)1/2. Nếu gọi Ni là số tế bào trong vòng i thì đối với tế bào hình lục giác Ni=1 nếu i=0, Ni=6i nếu i>1.

Thực hiện phân tập tất cả các tế bào trong mạng thành một số tập con phân biệt G0, G1, ...Gk-1 sao cho bất kỳ 2 tế bào nào trong cùng một tập con đều cách nhau khoảng cách tối thiểu Dmin. Tương tự, với tập kênh cấp cho mạng di động tế bào, thực hiện phân tập tất cả các kênh vào K tập con phân biệt P0, P1,....,Pk-1. Các kênh trong Pi(i=1,2,..,k-1) gọi là các kênh cơ sở đối với các tế bào trong Gi và được sắp xếp theo trật tự xác định. Một kênh i được chọn sử dụng (Ui) hoặc cho phép (Vi) phụ thuộc nó được gán cho MS hay không. Một kênh cho phép của c bị nhiễu nếu nó được sử dụng bởi các tế bào trong IN(c).

2.1.3. Bộ điều khiển mượn kênh động logic mờ FDCBS

Để thuật tiện, một tế bào Ci là một tế bào cơ sở của một kênh CH khi và chỉ khi CH là kênh cơ sở của tế bào Ci. Như vậy, các tế bào trong Gi là các tế bào cơ sở của các kênh trong Pi và là các tế bào thứ cấp của các kênh trong Pj( j i ). Tập hợp các tế bào được bao phủ bởi một tập các BS thể hiên như hình 2.1.

Nhóm tế bào

Ô tế bào

Ô đồng kênh

Ô lân cận nhiễu

Hình 2.1: Mạng tế bào với tế bào hình lục giác

2.2.2. Bộ điều khiển mượn kênh trên cơ sở logic mờ

Bộ điều khiển mượn kênh logic mờ gồm 2 phần: bộ điều khiển logic mờ, gồm 4 khối chính: Khối mờ hóa, khối cơ sở luật mờ, khối suy diễn mờ và khối giải mờ;

Bộ điều khiển logic mờ (FLC)

Khối mờ hóa

Cơ sở luật mờ

Khối giải mờ

Di chuyển

đa kênh

Ra quyết định tải tế bào tế bào

Thỏa thuận với các tế bào tế bào liên quan

Máy suy diễn

Điều khiển quá trình

Tải lưu lượng(Traffic Load)	7	Cung cấp trạng thái tải tế bào hoặc không
2	Số kênh cho phép	8	Tìm các tế bào đích
3	Biến mờ	9	Đầu ra tác động sau khi giải mờ
4	Véc tơ đầu ra mờ	10	Cho mượn các kênh
5	Trạng thái tải tế bào	11	Mượn các kênh
6	Tế bào đích tìm thấy?	12	Số các kênh cho phép

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

Hình.2.2: Bộ điều khiển mượn kênh trên cơ sở logic mờ

và FDCBS gồm 3 khối thực hiện 3 pha: pha ra quyết định trạng thái tải tế bào, pha thỏa thuận với tế bào liên quan và pha di chuyển đa kênh. Cả 3 pha này được thiết kế bằng cách áp dụng điều khiển logic mờ lên chúng. Pha ra quyết định tải tế bào chỉ thị lượng thông tin liên quan tới tế bào cũng như các luật lấy thông tin để ra quyết định phân bố lại tải tế bào. Mục đích của pha này là thu đủ thông tin cần thiết nhằm đưa ra quyết định phù hợp một khi tải tế bào là “rất nóng”, “nóng”, “ trung bình”, “lạnh” và “rất lạnh”. Pha thỏa thuận tế bào liên quan cho phép tế bào hiện thời thực hiện trao đổi thỏa thuận, chọn các tế bào mà di chuyển các kênh từ đó hoặc di chuyển kênh tới các tế bào đó khi thực hiện cấp phát lại tải. Pha di chuyển đa kênh duy trì quản lý việc di chuyển các kênh từ tế bào này tới tế bào khác.

2.2.3. Pha ra quyết định trạng thái tải tế bào

Để ước lượng trạng thái tải trong mạng tế bào và xác định chỗ phù hợp nhất để thực hiện chuyển kênh chia sẻ tải trong hệ thống, FDCBS đề xuất phương pháp xấp xỉ trạng thái tải tế bào trên cơ sở bộ điều khiển logic mờ nhằm tạo ra quyết định phân bố lại tải trong mạng di động tế bào. Cụ thể FDCBS cho phép xây dựng các hàm thành viên của các kênh cho phép khác nhau, hàm thành viên tải lưu lượng và giá trị trung tâm đối với các nhãn ngôn ngữ thông qua các thuật toán nhóm FCM (C-means mờ) mà phù hợp với các đặc điểm dữ liệu của các tế bào khác nhau.

Khác với nhiều thuật toán [29][30][31][55] mà chỉ sử dụng tham số số kênh cho phép như là chỉ số tải duy nhất đối với BS trong hệ thống tế bào, FDCBS sử dụng cả tham số số kênh và nhiều tham số khác mà cũng ảnh hưởng đến tải hệ thống như tốc độ cuộc gọi tới, thời gian thực hiện cuộc gọi... Và để có sự chính xác trong việc đánh giá trạng thái tải của tế bào, FDCBS còn sử dụng cả tham số tải lưu lượng tế bào làm biến đầu vào của bộ điều khiển logic mờ (FLC). FLC cho phép tích hợp tri thức, kinh nghiệm của chuyên gia lĩnh vực trong việc thiết kế tập luật điều khiển mờ. Từ đó FLC điều khiển các quá trình mà quan hệ vào- ra của nó được miêu tả bởi một tập hợp các luật điều khiển mờ với các biến ngôn ngữ thay vì phải thực hiện tính toán trên một mô

hình hệ thống phức tạp. Một FLC cơ bản gồm 4 khối chính: khối mờ hoá, cơ sở luật mờ, máy suy diễn và giải mờ. Nếu đầu ra của bộ giải mờ không phải là tác động điều khiển đối với hệ thống thì nó là hệ thống ra quyết định logic mờ. Khối mờ hoá có tác dụng chuyển dữ liệu đo rõ thành giá trị ngôn ngữ phù hợp. Cơ sở luật mờ lưu giữ tri thức kinh nghiệm thao tác quá trình của chuyên gia lĩnh vực. Máy suy diễn là hạt nhân của FLC và nó có khả năng thực hiện phỏng theo sự ra quyết định của con người, bằng cách thực hiện lập luận xấp xỉ để đạt được một chiến lược điều khiển mong muốn. Sự giải mờ được sử dụng để đưa ra một quyết định hoặc một thao tác điều khiển không mờ trong thế giới thực.

2.2.3.1. Khối mờ hóa

Mờ hóa là quá trình ánh xạ tập giá trị rõ thành các tập mờ thành phần. Một hàm thành viên của một tập mờ A được định nghĩa là uA có dạng:

uA : X 0,1

trong khi đó giá đỡ của một tập mờ A là một tập rõ ràng của tất cả x U

hàm liên thuộc mờ ux(x)>0 và được định nghĩa là:

Supp( A) x U | uA ( x)  0

(2.1)

sao cho giá trị

(2.2)

Nói cách khác: Một tập mờ A được định nghĩa trên một không gian đếm được hoặc là không gian hữu hạn có thể được viết dưới dạng:

A ai/ xi

i1

(2.3)

Khi X là khoảng số thực, tập mờ A được viết dưới dạng:

A A( x) / x

(2.4)

Các phép toán cơ bản nhất của lý thuyết tập mờ là phép toán bù, giao và hợp mờ được định nghĩa bởi Zadeh [56]:

- Phép bù: A( x)  1 uA ( x)

với

x X

(2.5)

- Phép giao: A B( x)  minuA( x), uB( x)

với

x X

(2.6)

- Phép hợp: A B( x)  m axuA( x), uB( x)với

x X

(2.7)

Các hàm liên thuộc mờ của tín hiệu đầu vào là số kênh cho phép AC được xác

định trong khoảng

xa0,a6trong phương trình (2.8) đến (2.12) và của tín hiệu vào là

tải lưu lượng

yb0,b2

trong phương trình (2.13) đến b(2.15) với hàm liên thuộc dạng

tam giác( có thể sử dụng các dạng khác) được định nghĩa như sau:

1 khi x a1

VC (a x) / (a a ) khi a x a

(2.8)

1 2 1 1 2



khi x a2

0 khi x a1 hoac x a3

(a x) / (a a ) khi a x a

C 

1 2 1 1 2

(2.9)

(a

x) / (a a ) khi a x a



1

0

3 3 2 2 3

khi x a2

khi x a2 hoac x a4

( x a ) / (a

a )

khi a

x a

M 

2 3 2 2 3

(2.10)

(a

x) / (a a ) khi a x a



1

0

4 4 3 3 4

khi x a3

khi x a3 hoac x a5

( x a ) / (a

a )

khi a

x a

H 

3 4 3 3 4

(2.11)

(a

x) / (a a ) khi a x a



1

5 5 4 4 5

khi x a4

0 khi x a5

VH ( x a ) / (a a ) khi a x a

(2.12)

4 5 4 4 5



khi x a5

0 khi y b1

L ( y b ) / (b b ) khi b y b

(2.13)

0 1 0 0 1



khi y b1