Về một phương pháp mới điều khiển mượn, khóa kênh tần số mạng di động tế bào

B CễNG THNG B GIO DC V O T
O
VIN NGHIấN CU IN T, TIN HC, T NG HO








H MNH O





Về MộT PHƯƠNG PHáP MớI ĐIềU KHIểN
MƯợN, KHóA KÊNH TầN Số MạNG DI ĐộNG Tế BàO

Chuyờn ngnh: K thut in t
Mó s :62.52.70.01


LUN N TIN S K THUT




NGI HNG DN KHOA HC
PGS.TS. Thỏi Quang Vinh

H NI 2011


2






LỜI CAM ðOAN
Tác giả xin cam ñoan tất cả các kết quả ñược trình bày trong
luận án là của riêng tác giả, không sao chép từ bất kỳ một công trình
nào khác.

3


LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn và biết ơn sâu sắc nhất ñến Thầy hướng
dẫn: PGS. TS. Thái Quang Vinh ñã tận tình dày công hướng dẫn và giúp ñỡ tác giả
hoàn thành luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy GS. TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh, các
Thầy và bạn ñồng nghiệp Viện Nghiên cứu ðiện tử, Tin học, Tự ñộng hóa; Viện Công
nghệ Thông tin ñã giúp ñỡ và tạo ñiều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian
học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn Giáo sư Yao- Tien Wang, Trường ðại học Kainan, ðài
Loan ñã cung cấp thông tin hữu ích ñể trên cơ sở ñó tôi hoàn thành luận án.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia ñình và những người thân ñã luôn chia sẻ
mọi khó khăn cùng tác giả và là chỗ dựa vững chắc về vật chất và tinh thần trong suốt
thời gian thực hiện và hoàn thành luận án.

Hà Nội, tháng 10 năm 2011

4
MỤC LỤC
Lời cam ñoan 1
Lời cảm ơn 2
MỤC LỤC 3
Danh mục các từ viết tắt 6
Danh sách hình vẽ 9
Danh sách bảng 11
MỞ ðẦU 12
Chương 1. TỔNG QUAN MẠNG DI ðỘNG TẾ BÀO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MƯỢN
KHÓA KÊNH 20
1.1. Mở ñầu 20
1.2. Mô hình mạng di ñộng tế bào 23
1.2.1. Khái niệm tế bào 23
1.2.2. Kênh, cấp phát kênh, tái sử dụng kênh 25
1.3. Quá trình chuyển giao (handoff) 37
1.4. Các thuật toán mượn khóa kênh 39
1.4.1. Mượn, khóa kênh 39
1.4.2. Thuật toán mượn, khoá kênh ñơn giản 40
1.4.3. Các thuật toán mượn, khóa kênh lai ghép 42
1.4.4. Thuật toán thử trực tiếp 43
1.4.5. Thuật toán cân bằng tải ñộng mượn kênh chọn lọc 43
1.4.6. Thuật toán cân bằng tải ñộng mượn kênh chọn lọc phân tán 45
1.4.7. Thuật toán mượn, khóa kênh thích nghi 46

1.5. Nhận xét các thuật toán mượn, khóa kênh 47
1.6. Kết luận 47
Chương 2. MƯỢN, KHÓA KÊNH ðỘNG TRÊN CƠ SỞ BỘ ðIỀU KHIỂN LOGIC MỜ VÀ
MẠNG NƠ RON 49


5
2.1. Mở ñầu 49
2.2. Thuật toán mượn kênh FDCBS và NFDCBS 50
2.2.1 Mô hình hệ thống mạng di ñộng tế bào 50
2.2.2 Bộ ñiều khiển mượn kênh trên cơ sở logic mờ 52
2.2.3 Pha ra quyết ñịnh trạng thái tải tế bào 53
2.2.4 Pha thỏa thuận với tế bào liên quan 60
2.2.5 Sự di chuyển ña kênh 61
2.2.6 Thuật toán mượn kênh NFDCBS 62
2.3. ðánh giá các thuật toán FDCBS và NFDCBS 65
2.4. Một số cải tiến thuật toán mượn kênh NFDCBS 66
2.4.1 Sử dụng bộ ñiều khiển ANFIS thay cho bộ ñiều khiển NFC 66
2.4.2 Tối ưu tập luật mờ ANFIS 70
2.5. Kết luận 73
Chương 2. MƯỢN, KHÓA KÊNH ðỘNG PHÂN TÁN TRÊN CƠ SỞ BỘ ðIỀU KHIỂN NƠ
RON - MỜ - SUBSETHOOD 75
3.1. Mở ñầu 75
3.2. Xây dựng bộ ñiều khiển mượn kênh DDBNFS 76
3.2.1. Mô hình mạng di ñộng tế bào 76
3.2.2. Bộ ñiều khiển mượn kênh mạng nơ ron mờ-subsethood(DDBNFS) 78
3.2.3. Thuật toán ñiều khiển mượn kênh cân bằng tải ñộng phân tán 100
3.3. Kết luận 102
Chương 4. MÔ PHỎNG, ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ 104
4.1. Mô tả mạng di ñộng mô phỏng 104

4.2. Cài ñặt và huấn luyện NFS 107
4.2.1. Cài ñặt bộ ñiều khiển NFS bằng Matlab 107
4.2.2. Phát sinh tập dữ liệu huấn luyện và huấn luyện ANFIS, NFS, NFC 108
4.2.3. Kết quả huấn luyện ANFIS, NFS, NFC 109


6

4.3. Kết quả mô phỏng 109
4.4. ðánh giá kết quả và so sánh 112
4.5. Kết luận 112
KẾT LUẬN 114
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO 118
PHỤ LỤC 126

7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
ABC

Always Best Connected concept

Khái niệm luôn kết nối tốt nhất
AC Available Channels Số kênh cho phép ( còn rỗi)
AMPS Advanced Mobile Phone
System
Hệ thống ñiện thoại di ñộng
AMPS
ANFIS Adaptive Neuro-Fuzzy
Inference Systems
Hệ thống suy diễn nơ ron- mờ
thích nghi

BCO Borrowing with Channel
Ordering
Mượn với sắp xếp kênh
BS Base Station Trạm cơ sở
BP Back Propagation Thuật truyền ngược
CBWL Channel Borrowing Without
Locking
Mượn kênh không khoá
CD Code Division Phân chia theo mã
CDMA Code Division Multiplexing ða truy nhập phân chia theo mã
CP-Based-
DCA
Compact Pattern Based
Dynamic Channel Assignment
Phân cụm dựa trên gán kênh ñộng
CNIR Carrier to Noise plus
Interference Ratio
Tỉ số công suất sóng mang trên tạp
âm và nhiễu.
CS Channel Segregation Chia tách kênh
DAB/DVB

Digital Audio Broadcast/Digital
Video Broadcast
Kỹ thuật tiếng nói / hình ảnh số
mặt ñất
DBCL
Borowing with Direction
Channel Locking
Mượn kênh với khóa kênh theo

hướng
DCA Dynamic Channel Assignment Gán kênh ñộng/Cấp kênh ñộng
DBNFS
Distributed dynamic channel
borrowing based on Neural
networks – fuzzy –
subsethood

Mượn kênh ñộng phân tán trên cơ
sở mạng nơ ron mờ- subsethood
D-LBSB Distributed-LBSB

LBSB phân tán
ETSI European Telecommunication
Standard Institute
Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu
Âu
EV-DO EVolution-Data Optimized

Phát triển – tối ưu hóa dữ liệu
ETACS European Total Access
Communications System

FCA Fixed Channel Assignment Gán kênh cố ñịnh
FCM Fuzzy C-Means clustering Thuật toán gom cụm C-Mean mờ


8
FD Frequency Division Phân chia theo tần số
FDMA Frequency Division

Multiplexing Access
ða truy nhập phân chia theo tần số
FDCBS
Fuzzy-based Dynamic Channel-
Borrowing Scheme
Mượn kênh ñộng trên cơ sở logic
mờ
FIFO
First In First Out Hàng ñợi FIFO
FIS
Fuzzy Inference System Hệ thống suy diễn mờ
FlCA Flexible Channel Assignment Gán kênh linh hoạt
FLC
Fuzzy Logic Controller Bộ ñiều khiển logic mờ
GA Generic Algorithm Thuật gen
GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di ñộng toàn
cầu
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung
ICA
Independent Component
Analysis
Phân tích thành phần ñộc lập
IETF Internet Engineering Task Force

Nhóm ñặc trách kỹ thuật Internet
IMT-A
International Mobile
Telecommunication- Advance
Di ñộng quốc tế nâng cao
IMT-2000 International Mobile

Telecommunication at 2000
MHz
Di ñộng quốc tế hoạt ñộng ở băng
tần 2000 MHz
IS-95 Interim Standard 95 Chuẩn IS-95
IP
Internet Protocol Giao thức Internet
JTACS Japanese Total Access
Communications System
Hệ thống truy cập tổng Nhật Bản
LAN Local Area Network Mạng cục bộ
LBSB Load Balancing with Selective
Borrowing
Cân bằng tải với mượn chọn lọc
LODA Locally Optimised Dynamic
Assignment Strategy
Chiến lược gán kênh ñịa phương
ñộng
LSE Least Square Error Sai số bình phương tối thiểu
MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di
ñộng
MS
Mobile Station Thiết bị di ñộng
MIMO
Multi Input- Multi Output Hệ thống nhiều ñầu vào – nhiều
ñầu ra
MTSO Mobile Telephone Switching
Office
Tổng ñài chuyển mạch thoại di
ñộng

NFC
Neural-Fuzzy Controller Bộ ñiều khiển Nơ ron – Mờ


9
NFDCBS
Neural-Fuzzy Controller for
the Dynamic Channel-
Borrowing Scheme
Mượn kênh ñộng trên cơ sở bộ
ñiều khiển Nơ ron – Mờ
NFS
Noron- Fuzzy- Subsethood Bộ ñiều khiển mạng nơ ron – mờ -
subsethood
NMT Nordic MobileTelephone
OFDMA
Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing Access
ða truy cập phân chia tần số trực
giao
OVSF
Orthogonal Variable Spreading
Factor
Mã OVSF
PCA
Principal Component Analysis Phân tích thaanhf phần cơ bản
PDA Personal Digital Assistant Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân

PDC Personal Digital Cellular di ñộng cá nhân tế bào số
PSTN

Post Switch Telephone Network

Mạng ñiện thoại chuyển mạch
công cộng
QoS
Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RSS Received Signal Strengh Cường ñộ tín hiệu thu ñược
RMSE Root Mean Square Error Sai số bình phương trung bình
SB Simple Borrowing Mượn kênh ñơn giản
SHCB Simple Hybrid Channel
Borrowing Scheme
Thuật toán mượn kênh lai ghép
ñơn giản
Subsethood Phép ño subsethood mờ
TACS Total Access Communication
System
Hệ thống truy nhập tổng
TD Time Division Phân chia theo thời gian
TDMA Time Division Multiplexing
Access
ða truy nhập phân chia theo thời
gian
TL Traffic Load Tải lưu lượng
TSK Takagi-Sugeno-Kang Model Mô hình TSK
xG x Generic Thế hệ x (x=1,2,3,4,5)
UMTS Universal Mobile Telephone
System
Hệ thống di ñộng UMTS
UWB
Ultra-WideBand Công nghệ không dây UWB

WCDMA Wideband Code Division
Multiple Access

ða truy cập phân chia mã băng
thông rộng.
WISDOM
Wireless Innovative System for
Dynamic Operating Mega
communications concept
Hệ thống phát minh vô tuyến ñể
truyền thông Mega ñộng.


10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sự phát triển qua các thế hệ của mạng di ñộng tế bào 20
Hình 1.2: Mạng di ñộng tế bào 23
Hình 1.3: Các phương pháp ña truy cập N kênh cơ bản 26
Hình 1.4: Cách xác ñịnh các tế bào ñồng kênh với tham số shift i=3, j=2 28
Hình 1.5: Nhóm kênh 29
Hình 1.6: Chuyển giao cứng giữa MS và các BS 38
Hình 1.7: Cường ñộ tín hiệu và hiện tượng trễ giữa hai BS liền kề ñể chuyển giao có thể xẩy ra 38
Hình 1.8: Mượn kênh và khoá kênh 41
Hình 1.9: Phân loại tế bào lạnh, tế bào trung bình, tế bào nóng 46
Hình 2.1: Mạng tế bào với tế bào hình lục giác 51
Hình.2.2: Bộ ñiều khiển mượn kênh trên cơ sở logic mờ 52
Hình 2.3: a) Hàm liên thuộc số kênh cho phép;b) Hàm liên thuộc tải lưu lượng 56
Hình 2.4: Hàm liên thuộc ñầu ra mờ 60
Hình 2.5: Bộ ñiều khiển NFC với luật mờ singleton 63
Hình 2.6: Hàm liên thuộc hình tam giác 64

Hình

2.7: a) Hệ thống suy diễn mờ ANFIS; b) Cấu trúc ANFIS 68
Hình 2.8: Mạng nơ ron huấn luyện tìm hệ số
γ
của toán tử mờ 72
Hình 3.1: Phân vùng mạng di ñộng tối ưu 77
Hình 3.2: Bộ ñiều khiển mượn kênh ñộng DBNFS 78
Hình 3.3: Mờ hoá tín hiệu kênh cho phép AC 80
Hình 3.4: Mờ hoá tính hiệu tải lưu lượng TL 81
Hình 3.5: Các tập mờ ñầu ra với hàm liên thuộc Gauss 82
Hình 3.6: Cấu trúc mạng nơ ron mờ sử dụng subsethood(NFS) 83
Hình 3.7: Trường hợp 1:
,
m
C
OL k
ν
=C
k
87
Hình 3.8: Trường hợp 2:
,
m
C
k
OL k
C
ν
>

88


11
Hình 3.9: Trường hợp 3:
,
m
C
k
OL k
C
ν
<
92
Hình 3.10: Cơ chế suy diễn NFS của DBNFS 96
Hình 3.11: Thuật toán ñiều khiển mượn, khoá kênh DBNFS 101
Hình 4.1: PDF thời gian giữ cuộc gọi 110
Hình 4.2: Sai số huấn luyện mạng NFC, ANFIS, NFS 111
Hình 4.3: Xác xuất khóa cuộc gọi của các thuật toán khác nhau 112
Hình 4.4: Xác xuất dớt cuộc gọi của các thuật toán khác nhau 112
Hình 4.5: Sự phức tạp truyền thông ñiệp của các thuật toán khác nhau 113
Hình 4.6: Thời gian trễ thu kênh của các thuật toán khác nhau 113

12
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các luật mờ ñể ñiều khiển mượn/cho mượn kênh 60
Bảng 3.1: Bảng ñịnh nghĩa giá trị biến ngôn ngữ 81
Bảng 3.2: Mạng ñầu vào và ra của các lớp của NFS 84
Bảng 3.3: Bảng luật và ε của NFS 2 ñầu vào, 1 ñầu ra 96
Bảng 4.1: Cài ñặt bộ ñiều khiển NFS bằng Matlab 109

13
MỞ ðẦU
Hiện nay trên thế giới cũng như trong nước, mạng di ñộng tế bào ñã và ñang
phát triển mạnh mẽ, nhất là mạng di ñộng tế bào thế hệ mới 3G và 4G. ðồng thời
các nước cũng ñang ñầu tư nghiên cứu phát triển mạng di ñộng thế hệ thứ 5 (5G)
[1]. ðặc ñiểm nổi bật của các hệ thống mạng di ñộng thế hệ mới là tốc ñộ truyền dữ
liệu lớn, khả năng di ñộng cao và cung cấp các dịch vụ cho người sử dụng ngày
càng phong phú hơn.
Một bài toán quan trọng xuyên suốt qua mọi thế hệ mạng di ñộng tế bào là làm
thế nào sử dụng phổ tần số (kênh) cấp cho mỗi mạng hiệu quả trong ñiều kiện phổ tần
số là hạn chế. Từ ñó nâng cao khả năng phục vụ, chất lượng dịch vụ (QoS) của hệ
thống mạng di ñộng tế bào. ðiều này ñòi hỏi phải có một chiến lược gán kênh phù hợp
[5][6][7]. Bài toán gán kênh là một trong các bài toán quan trọng nhất trong hệ thống di
ñộng tế bào. Và nó là một bài toán có ñộ phức tạp theo thời gian mũ (NP-Hard) nên
khó tìm ñược lời giải chính xác.
Mục ñích của bài toán gán kênh chủ yếu là ñể khai thác khả năng tái sử dụng lại
kênh dưới ñiều kiện ràng buộc nhiễu, như nhiễu ñồng kênh, nhiễu kênh liền kề, nhiễu
kênh tại cùng chỗ sử dụng. Các thuật toán gán kênh ñược ñề xuất từ nhiều tác giả khác
nhau rất phong phú, nhưng có thể chia làm 3 loại khác nhau là: Gán kênh cố ñịnh
(FCA), gán kênh ñộng (DCA) và gán kênh lai ghép (HCA).
Ưu ñiểm của FCA là ñơn giản. Tuy nhiên, nó không thể phù hợp ñối với tình
huống thực tế của mạng mà có tải tế bào biến ñổi bất thường và thay ñổi từ tế bào sang
tế bào khác. Phương pháp DCA cho phép gán/ tái gán lại kênh và do ñó linh hoạt hơn.

DCA tùy theo cách quản lý kênh mà chia làm 2 loại: DCA tập trung và DCA phân tán.
Trong DCA tập trung, tất cả các kênh ñược ñặt trong một nguồn chung và ñược
gán cho các cuộc gọi mới khi cần thiết, và tất cả các công việc gán kênh ñược thực hiện
bởi MSC. Trong DCA phân tán, các BS sẽ tham gia thực hiện công việc này. ðể có
ñược ưu ñiểm của FCA và DCA, kỹ thuật HCA ñược ñề xuất sử dụng. Trong HCA,


14
các kênh ñược chia thành hai tập riêng biệt: một tập các kênh ñược gán cho mỗi tế bào
trên cơ sở FCA, trong khi tập kênh còn lại ñược giữ trong nguồn chung dành cho việc
gán ñộng. Một vấn ñề quan trọng của các phương pháp cấp phát kênh là cân bằng tải
trong mạng di ñộng tế bào có tải phân bố không ñều. Cân bằng tải là quá trình phân bố
lại các kênh của mạng di ñộng tế bào ñể tránh tình huống mà một số tế bào ñang nhàn
rỗi trong khi một số tế bào khác ñang ở trạng thái bị tắc nghẽn (nóng) [29][30][31]. Do
sự nóng của các tế bào biến ñổi theo cả không gian và thời gian, cho nên trong thực tế,
ñể giải quyết vấn ñề này có thể tăng ñộ rộng băng thông cho tế bào ñể tăng dung lượng
hệ thống. Nhưng giải pháp tăng băng thông lại không hiệu quả ñối với mạng mà lưu
lượng mất cân bằng mà biến ñổi theo thời gian. Có giải pháp hiệu quả hơn ñể giải
quyết vấn ñề này là thực hiện chuyển các kênh rỗi từ các tế bào tải nhẹ (lạnh) sang tế
bào tải nặng (nóng) hoặc từ vùng tải nhẹ sang vùng tải nặng trong các mạng thế hệ
mới. Hay nói cách khác, ñó là quá trình thực hiện mượn kênh trong mạng di ñộng tế
bào. ðây là phương pháp ñược sử dụng phổ biến trong mọi mạng tế bào và mọi thế hệ
mạng tế bào, thậm chí cả mạng vệ tinh [51].
Các chiến lược mượn kênh truyền thống thường mượn kênh ñể cân bằng tải
bằng cách sử dụng một số ngưỡng cố ñịnh ñể phân biệt trạng thái tải của mỗi tế bào.
Một tải tế bào ñược gọi là "nóng", nếu tỷ số giữa số kênh còn rỗi với tổng số kênh cấp
cho tế bào ñó nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị ngưỡng, ngược lại nó là "lạnh". Hạn chế
trong các thuật toán này chính là do sử dụng các giá trị ngưỡng cố ñịnh nên có thể gây
ra một chuỗi các biến ñổi bất thường, như hiệu ứng quả bóng bàn (ping-pong), do tải
dao ñộng xung quanh ngưỡng. ðiều này dẫn ñến lãng phí một lượng ñáng kể tài

nguyên mạng do việc chuyển kênh qua lại giữa các tế bào. Mặt khác, việc thu thập các
thông tin tải tế bào không chỉ ñể ước lược tải lưu lượng mạng biến ñổi theo thời gian,
mà còn cung cấp các thông tin hữu ích ñể ra quyết ñịnh gán lại kênh mạng di ñộng tế
bào. Việc thu thập thông tin tải tốt cho phép phản ánh chất lượng ước lượng tải hiện
thời của tế bào, dự báo ñược tải trong tương lai gần, ñảm bảo sự ổn ñịnh tương ñối và


15
có một quan hệ ñơn giản với các chỉ số tài nguyên của mạng. Trong hệ thống di ñộng,
số các cuộc gọi xuất hiện là không biết trước, cũng như thời gian thực hiện cuộc gọi là
mơ hồ, không chắc chắn (bất ñịnh). Chính vì những lý do như vậy, ñể giải bài toán này
cần có một cơ chế dự báo phù hợp hơn, hiệu quả hơn. Gần ñây, ña số các phương pháp
giải quyết vấn ñề gán kênh cho mạng tế bào nói chung, phương pháp ñiều khiển mượn
kênh nói riêng ñều sử dụng công cụ tính toán thông minh, hoặc kết hợp các phương
pháp truyền thống với các phương pháp tính toán thông minh ñể giải quyết bài toán
mạng di ñộng tế bào (hệ thống lai) [47][48][50].
Trong phương pháp tính toán thông minh, nền tảng cốt lõi của nó là bộ ñiều
khiển logic mờ, mạng nơ ron, thuật gen. Ngoài ra còn có lý thuyết trò chơi, tính toán
dựa trên bầy ñàn, dựa trên tình huống (case), Automata Các bộ ñiều khiển thông
minh có thể ñược xây dựng từ các công nghệ thông minh riêng rẽ hoặc tích hợp các
công nghệ này, tuỳ từng bài toán cụ thể. Mạng nơ ron có ưu ñiểm nổi bật là khả năng
học, khả năng khái quát hoá và khả năng xấp xỉ hàm phi tuyến bất kỳ với ñộ chính xác
yêu cầu. Còn bộ ñiều khiển logic mờ ñược phát triển trên cơ sở lý thuyết tập mờ có ưu
ñiểm là tích hợp ñược tri thức chuyên gia và phỏng theo cách tư duy của con người với
cơ chế suy diễn trên cơ sở tập luật IF-THEN mờ. Thuật gen (GA) cho phép giải bài
toán tối ưu toàn cục dựa trên các toán tử lai ghép, ñột biến, chọn lọc tự nhiên ñể tìm lời
giải tối ưu trong không gian lời giải của bài toán. Automata cho phép tạo ra khả năng
tự trị, thích nghi với môi trường. Sự kết hợp các công nghệ này cho phép tạo ra các bộ
ñiều khiển mạnh, mềm dẻo và giải quyết hiệu quả các bài toán phức tạp, nhiều yếu tố
bất ñịnh, không rõ ràng hoặc nghèo thông tin. Chính vì những ưu ñiểm như vậy, bộ

ñiều khiển thông minh ñã ñược nhiều tác giả nghiên cứu sử dụng trong các thuật toán
mượn kênh, cân bằng tải ñộng, lập lịch gán mã trong mạng di ñộng tế bào với các cơ
chế ña truy cập khác nhau. Nổi bật là nghiên cứu của tác giả Harilaos G. Sandalidis,
Peter P. Stavroulakis’, J. Rodriguez-Tellez [37], ñã sử dụng mạng nơ ron Hopfield và
các chiến lược tiến hoá ñể thực hiện mượn kênh trong mạng tế bào (BCA). Somnath


16
Sinha Maha Patra, Kousik Roy, Sarthak Banerjee, and Deo Prakash Vidyarthi [40], ñã
sử dụng GA ñể cải tạo thuật toán mượn kênh nhằm tối ưu số trạm bị khoá kênh. Sitao
Wu, Tommy W. S. Chow, Kai Tat Ng [41] ñã sử dụng bản ñồ tự tổ chức thực hiện
chiến lược mượn kênh hiệu quả. Yao-Tien Wang [47][48][49] ñã ñề xuất thuật toán
mượn kênh sử dụng bộ ñiều khiển logic mờ, bộ ñiều khiển mạng nơ ron- mờ và bộ ñiều
khiển nơ ron-mờ- GA ñể thực hiện mượn kênh ñộng ñể cân bằng tải ñộng mạng di
ñộng tế bào.
Trong [47] Yao-Tien Wang ñề xuất bộ ñiều khiển mờ (FDCBS) gồm bốn khối
thành phần: (1) cơ sở luật mờ, (2) ñộng cơ suy diễn mờ, (3) khối mờ hóa, và (4) khối
giải mờ. FDCBS gồm 3 pha hoạt ñộng: (1) ra quyết ñịnh tải tế bào, (2) trao ñổi thỏa
thuận giữa các tế bào liên quan, và (3) di chuyển ña kênh. Cấu trúc của bộ ñiều khiển
mượn kênh của mạng di ñộng tế bào gồm ba pha thiết kế bằng cách áp dụng ñiều khiển
logic mờ cho các pha ñó. Pha ra quyết ñịnh tải tế bào cho chỉ thị một lượng thông tin
liên quan ñến tế bào cũng như các luật thu thập thông tin sẽ ñược sử dụng khi thực hiện
ra quyết ñịnh phân bố lại tải tế bào. Mục ñích là ñể thu ñược ñầy ñủ thông tin ñể ñưa ra
quyết ñịnh trạng thái tải tế bào mà có thể là rất nóng, nóng, trung bình, FDCBS sử
dụng số kênh cho phép và tải lưu lượng tế bào như là các biến ñầu vào cho tập mờ và
xác ñịnh một tập các hàm liên thuộc mờ. Khái niệm số mờ ñóng một vai trò quan trọng
trong xây dựng các biến ñịnh lượng mờ và xác ñịnh các giá trị ngôn ngữ biểu diễn
trạng thái của tải tế bào, chẳng hạn như “rất nóng”, “nóng”, “vừa phải”, “lạnh” hoặc
“rất lạnh”. Pha thực hiện thỏa thuận giữa các tế bào liên quan nhằm mục ñích lựa chọn
các tế bào hoặc các kênh sẽ ñược di chuyển khi các sự kiện cấp phát lại tải diễn ra. Các

cách tiếp cận cấp phát kênh truyền thống có thể ñược phân loại thành loại cập nhật và
tìm kiếm. Ý tưởng cơ bản là một tế bào phải tham chiếu tất cả các tế bào liên quan
trong phạm vi khoảng cách tái sử dụng kênh tối thiểu trước khi nó có thể thu ñược một
kênh. Cả hai phương pháp này ñều có những ưu và nhược ñiểm. Cách tiếp cận cập nhật
có thời gian trễ thu kênh ngắn nhưng ñộ phức tạp thông ñiệp cao hơn, trong khi


17
phương pháp tìm kiếm có ñộ phức tạp thông ñiệp 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 ñóng vai trò mượn kênh, ngược lại,
khi trạng thái tải của nó là lạnh nó ñóng vai trò cho mượn kênh. Trong trường hợp tế
bào có trạng thái tải trung bình thì nó không ñược 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
ña kênh liên quan ñến 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 ñích
ñược xác ñịnh, số kênh cấp phát chỉ là một kênh trong mỗi lần lặp. ðiều 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 ña phương tiện thế hệ mới, một cuộc gọi có thể cần nhiều kênh khác nhau
tại một thời ñiểm. Ngoài ra, FDCBS cũng cho phép một tế bào yêu cầu có thể mượn
nhiều kênh khác nhau tại một thời ñiểm, 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 ñiểm thu ñược, FDCBS còn có nhiều hạn chế do
bản chất của tập mờ: (1) cần chuyên gia con người ñể xác ñịnh trước hàm liên thuộc
mờ ban ñầu, 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 ñộng; (2) quá phức tạp và cần rất nhiều
thời gian tính toán; 3) tạo ra quá nhiều luật mờ. ðể khắc phục hạn chế của FDCBS,
Yao-Tien Wang ñã ñề xuất bộ ñiều khiển mượn kênh ñộng trên cơ sở bộ ñiều khiển
mạng nơ ron – mờ (NFDCBS) [48]. Bộ ñiều khiển này gồm bốn khối của bộ ñiều khiển

logic mờ và mạng nơ ron-mờ. Hoạt ñộng của NFDCBS cũng gồm 3 pha như FDCBS.
Mục ñích chính của bộ ñiều khiển nơ ron-mờ sử dụng trong NFDCBS là phát sinh tập
luật mờ tự ñộng bằng cách áp dụng các kỹ thuật học ñể tìm và ñiều chỉnh các tham số
trên cơ sở tập dữ liệu huấn luyện.


18
Các phương pháp mượn kênh thông minh ñã ñược ñề xuất nói chung, thuật toán
FDCBS, NFDCBS của Yao-Tien Wang nói riêng, ñều 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
ñầu ra mong muốn hạn chế về mức ñộ chính xác, 2) số luật phát sinh tự ñộng 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 ñề sau:
1) Thực hiện một số cải tiến ñối với thuật toán NFDCBS ñể nâng cao chất lượng
của mạng di ñộng tế bào.
2) ðề xuất phương pháp mượn kênh ñộng phân tán DBNFS trên cơ sở bộ ñiều
khiển mạng nơ ron mờ có tích hợp phép ño subsethood NFS [33][57][58] ñể khắc phục
các hạn chế của các thuật toán ñề xuất bởi Yao-Tien Wang [47][48]. Bộ ñiều khiển này
sử dụng liên kết mờ cho phép ño mức ñộ ñóng góp của các phần ñiều kiện của tập luật
lên phần kết luận sử dụng phép ño subsethood ñược ñề xuất bởi Kosko [33], cho nên
ñầu ra xấp xỉ với dữ liệu mong muốn tốt hơn. ðồng thời NFS không bỏ qua thông tin
kích cỡ số chiều của véc tơ ñầu vào bộ ñiều khiển logic mờ, mà cũng không làm cường
ñộ của các luật mờ giảm nhanh chóng khi số chiều ñầu vào tăng như ñã xẩy ra do dùng
toán tử min hoặc toán tử tích trong các bộ ñiều khiển NFDCBS. Cuối cùng NFS loại bỏ
ñược việc sử dụng các phép toán số học khoảng ñối với các tập mức –α và cho phép
giải thích rõ ràng hơn tác ñộng của các luật mờ lên phần kết luận của tập luật mờ. NFS
cũng loại bỏ ñược việc sử dụng toán tử mờ t-norms hoặc t-cornom trong các bộ ñiều

khiển nơ ron –mờ truyền thống, ñồng thời cho tín hiệu ñầu ra số là một tổ hợp tuyến
tính của các phần kết luận ñã ñược giải mờ, cho nên tín hiệu ñầu ra cũng “mịn” hơn so
với các bộ ñiều khiển khác.


19
Phương pháp DBNFS thực hiện mượn kênh phân tán kết hợp với các chiến lược
khóa kênh, nên vấn ñề cân bằng tải của mạng ñược ñáp ứng ñộng 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 ñánh giá xác suất khóa cuộc gọi, xác suất rớt
cuộc gọi, sự cập nhật thông ñiệp, thời gian trễ thu kênh của phương pháp ñề 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 ñề chính. Vấn ñề thứ nhất là
so sánh và ñánh giá các phương pháp mượn khóa kênh truyền thống, phương pháp
mượn kênh FDCBS, NFDCBS ñể vạch ra những ñiểm hạn chế của các phương pháp
này, từ ñó ñề xuất phương pháp cải tiến. Vấn ñề thứ hai là ñề xuất phương pháp mới
sử dụng phép ño subsethood và chứng minh phương pháp mới hiệu quả hơn các
phương pháp cũ và cải tiến. Vấn ñề thứ ba là ñề xuất mô hình mô phỏng và thu kết
quả, ñánh giá phương pháp mới.
ðối 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 ño subsethood sử dụng tập
dữ liệu huấn luyện trong chế ñộ online và batch ñể tăng dung lượng số cuộc gọi ñược
phục vụ, thực hiện cân bằng tải hiệu quả và kịp thời, từ ñó cải thiện và nâng cao các
chỉ số chất lượng dịch vụ (QoS) của hệ thống di ñộng tế bào.
Phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu phương pháp mượn khóa kênh
trên mô hình mạng di ñộng tế bào ñề 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 ñã
công bố. Về nghiên cứu thực nghiệm, luận án thực hiện cài ñặt các thuật toán, chạy thử


20
nghiệm thuật toán với các bộ số liệu ñã ñược công bố, so sánh và ñánh giá kết quả thực
nghiệm, từ ñó kết luận tính ưu việt của phương pháp mới.
Bố cục của luận án gồm phần mở ñầu 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 ñộng tế bào và một số khái niệm quan trọng.
ðồng 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 ñóng góp chính của luận án ñược 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 ñược xây dựng sử dụng tri thưc chuyên gia; NFDCBS trên cơ
sở mạng nơ ron mờ mà tập luật mờ ñược phát sinh và tối ưu tự ñộng sử dụng tập dữ
liệu huấn luyện. Chương 2 cũng chỉ ra những hạn chế của các phương pháp này và ñề
xuất một số cải tiến ñối với NFDCBS.
Chương 3 trình bày phương pháp mượn khóa kênh mới sử dụng bộ ñiều khiển nơ
ron mờ với phép ño subsethood. Trong chương này trình bày mô hình bộ ñiều khiển
mượn khóa kênh phân tán, xây dựng bộ ñiều khiển mạng nơ ron mờ- subsethood và
thuật toán huấn luyện online, huấn luyện batch. ðề xuất thuật toán mượn khóa kênh
mờ, qui trình thực hiện mượn, khóa kênh và di chuyển ña kênh ñể cân bằng tải ñộng
mạng di ñộng 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 ñịnh, sau ñó phân tích, ñánh giá kết quả thu ñược.
Cuối cùng, phần kết luận nêu những ñóng góp của luận án, hướng phát triển và
những vấn ñề quan tâm của tác giả.

21
Chương 1. TỔNG QUAN MẠNG DI ðỘNG TẾ BÀO
VÀ CÁC THUẬT TOÁN MƯỢN, KHOÁ KÊNH
Chương này trình bày tổng quan về mạng di ñộng tế bào, ñặc biệt là các vấn ñề
gán kênh, tái sử dụng kênh, mượn, khoá kênh; ñánh giá hiệu suất hoạt ñộng của các
thuật toán gán kênh, mượn, khoá kênh. ðây là những vấn ñề liên quan ñến nội dung
nghiên cứu chính của luận án.
1.1. Mở ñầu
Mạng thông tin di ñộng tế bào ñã trải qua nhiều thế hệ: 1G, 2-2.5G, 3G, 4G và
hiện nay ñang nghiên cứu 5G [1]. Hình 1.1 cho thấy sự tiến hóa của các thế hệ ñều
nhằm tăng tốc ñộ dữ liệu, tăng khả năng di ñộng và khả năng dịch vụ.

Hình 1.1: Sự phát triển qua các thế hệ của mạng di ñộng tế bào
• Thế hệ 1G: là công nghệ ñiện thoại không dây thế hệ thứ nhất. ðặc ñiểm của 1G
là chỉ có dịch vụ thoại và sử dụng tín hiệu tương tự (thoại ñược ñiều chế và


22
truyền với kỹ thuật tương tự) với tốc ñộ 14,4kbps và sử dụng công nghệ ña 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 ñiện thoại không dây thế hệ 2. ðặc trưng của 2G là nó cải tạo
chuẩn 1G với thoại ñược truyền số, dịch vụ nhắn tin SMS và tốc ñộ truyền là
144kbps. Chuẩn 2G phân làm 2 loại dựa vào phương pháp ña 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 ñộng ñược 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 ñộ cao từ 2M-5Mbps/348Kbps
trong trường hợp di ñộng tốc ñộ 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 ñặc 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 ñịnh 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 ñể 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 ñầu cuối người sử dụng. Kiểu hội tụ thứ nhất qui về khả năng


23
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 ñầu cuối) tiến tới ý tưởng ñầu 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. ðặc ñiểm và các yêu cầu nổi bật của mạng
4G là [1]:
• Khả năng di ñộng rất cao

• Tốc ñộ truyền dữ liệu lớn: 100Mbps khi di chuyển tốc ñộ 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 ñộng 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 ñộc lập
• Thực hiện chuyển giao liên tục và ñảm bảo thực hiện cung cấp dịch vụ
liên tục với cơ chế chuyển giao horizontal/vertical.
Hiện nay ứng cử 4G tiên tiến nhất ñược thể hiện bởi chuẩn Wimax 802.16m [1],
LTE-A (các công nghệ 802.16e và 3GPP LTE chỉ ñược 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.
ðến nay, 4G ñã 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 ñang ñược triển khai nghiên cứu và nó ñược biết như là thế hệ thứ 5 (5G). ða số
các nghiên cứu hiện nay ñều ñịnh nghĩa khái niệm 5G, các thuộc tính, yêu cầu và mô tả
công nghệ 5G qua công nghệ 4G. Ngoài ra 5G còn ñược ñề xuất (2009) [1] lần ñầu tiên
trong lý thuyết qua khái niệm WISDOM với công thức:
5G=4G&WISDOM (1.1)


24
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 ña dạng phong phú của các dịch vụ ña phương tiện
với tốc ñộ dữ liệu rất cao.
1.2. Mô hình mạng di ñộng 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], ñó là một kiến trúc mạng ñược tổ hợp từ các tế bào hình lục giác (Hình 1.2).

Hình 1.2: Mạng di ñộng tế bào
Mỗi ô hình lục giác còn ñược gọi là một tế bào. Các tế bào biểu diễn cho các
vùng ñịa lý khác nhau. Kích thước mỗi tế bào thay ñổi tùy theo vùng. Bên trong các tế
bào: máy tính, PDA, Pocket PC, ñiện thoại, … gọi chung là thiết bị di ñộng(MS) có


25
khả năng yêu cầu truy nhập hoặc duy trì các giao dịch, phiên liên lạc khi di chuyển bên
trong mạng tế bào. Mỗi tế bào có một trạm cơ sở (BS) cung cấp các kênh cho các thiết
bị di ñộng. Mỗi tế bào ñược liên kết với trung tâm chuyển mạch (MSC) còn ñược gọi là
MTSO có vai trò ñiều khiển các cuộc gọi và hoạt ñộng như là một cổng ñể kết nối với
mạng khác. Với các mạng di ñộng tế bào thế hệ mới cũng có cấu trúc tương tự. Khi
người sử dụng di chuyển (ví dụ trạm di ñộng ñang sử dụng một kênh) tới gần biên của
tế bào, nó cần phải thay ñổi kênh hiện thời sang kênh khác của tế bào lân cận. Quá
trình này gọi là quá trình chuyển giao (Handoff) [25][26][27][28].
Mục tiêu của mạng di ñộng tế bào là cung cấp dịch vụ có khả năng:
- Thực hiện phiên liên lạc với số lượng lớn.
- Sử dụng hiệu quả kênh truyền.
- Tính tương thích cao.
- Phục vụ trên một vùng rộng lớn.
- Thích ứng với mật ñộ lưu lượng cao.
- Phục vụ cho các phương tiện giao thông hoặc cố ñịnh.
- Cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu, âm thanh, hình ảnh, internet
- Cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng với chất lượng dịch vụ tốt.
ðể hệ thống tế bào có các khả năng trên trong ñiều kiện tài nguyên hạn chế,
trong mạng di ñộng tế bào sử dụng khả năng tái sử dụng kênh vô tuyến và thực hiện
phân chia thành tập tế bào.
Tái sử dụng kênh là việc sử dụng cùng kênh ñó ở những vùng khác nhau mà

khoảng cách vừa ñủ ñể nhiễu gây ra không ảnh hưởng. Có 2 lý do của việc tái sử dụng
kênh là: