Nghiên cứu mạng tự tổ chức dựa vào thuật toán điều khiển fuzzy q learning

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐẶNG PHƢỚC LÂM

NGHIÊN CỨU MẠNG TỰ TỔ CHỨC DỰA VÀO THUẬT TOÁN
ĐIỀU KHIỂN FUZZY Q-LEARNING

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐẶNG PHƢỚC LÂM

NGHIÊN CỨU MẠNG TỰ TỔ CHỨC DỰA VÀO THUẬT TOÁN
ĐIỀU KHIỂN FUZZY Q-LEARNING

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS. Trịnh Anh Vũ

Hà Nội - 2015


1
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập lớp Cao học Điện tử Viễn thông, Khóa 3, thuộc trường
Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội liên kết đào tạo với Đại học Khoa học Đại học Huế tôi đã hoàn thành bản luận văn này.
Trước hết cho tôi xin gửi lới cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Trịnh Anh Vũ,
người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi
trong suốt thời gian tôi làm luận văn.
Và xin được cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Điện tử Viễn thông - trường Đại
học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội và Khoa Điện tử Viễn thông - trường Đại
học Khoa học, Đại học Huế đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho tôi những lời
khuyên vô cùng quý báu.
Học viên

Nguyễn Đặng Phƣớc Lâm


2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là do tôi nghiên cứu dưới
sự hướng dẫn của PGS.TS.Trịnh Anh Vũ. Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là
trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2015
Người viết

Nguyễn Đặng Phƣớc Lâm

3
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................2
MỤC LỤC .......................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................6
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................8
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................9
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................10
1. Đặt vấn đề: .................................................................................................................10
2. Mục đích nghiên cứu: ................................................................................................ 11
3. Bố cục đề tài ..............................................................................................................11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE .............13
1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE .................................................................................13
1.2. Yêu cầu thúc đẩy ....................................................................................................14
1.3. Các giai đoạn phát triển của LTE ...........................................................................14
1.4. Mục tiêu của LTE ...................................................................................................14
1.5. Các đặc tính cơ bản của LTE..................................................................................14
1.6. Các thông số lớp vật lý của LTE ............................................................................15
1.7. Dịch vụ của LTE ....................................................................................................16
CHƢƠNG 2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA LTE-SON .....................................................17
2.1. Cấu trúc mạng LTE-SON .......................................................................................17
2.2. Đặc điểm của LTE-SON ........................................................................................17
2.3. Quản lý điều phối SON ..........................................................................................18
CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP XỬ LÝ XUNG ĐỘT
CỦA CÁC CHỨC NĂNG SON ..................................................................................20
3.1. Phân loại các thông số của các chức năng SON .....................................................20
3.1.1. Thông số giám sát ................................................................................................ 21
3.1.2. Các thông số kích hoạt ........................................................................................28
3.2. Điều phối xung đột .................................................................................................29

3.3. Các nhóm tham số ..................................................................................................30


4
3.4. Sự thiết lập có trọng số ...........................................................................................31
3.5. Tổng quan hệ thống ................................................................................................ 32
CHƢƠNG 4. PHỐI HỢP QUÁ TRÌNH TỐI ƢU HÓA CHUYỂN GIAO, CÂN
BẰNG TẢI VÀ ĐIỀU KHIỂN NHẬP CELL ...........................................................35
4.1. Mô tả quá trình HPO, LB, AC ................................................................................35
4.1.1. Quá trình chuyển giao .........................................................................................35
4.1.2. Tối ưu hóa chuyển giao .......................................................................................37
4.1.3. Cân bằng tải .........................................................................................................38
4.1.4. Điều khiển nhập cell ............................................................................................38
4.2. Mối quan hệ lẫn nhau giữa tối ưu hóa chuyển giao, cân bằng tải và điều khiển
nhập cell .........................................................................................................................39
4.3. Các thông số giám sát và thông số hoạt động của HPO, LB và AC ......................41
4.3.1. Các thông số giám sát ..........................................................................................41
4.3.2. Các thông số hoạt động .......................................................................................44
4.4. Thuật toán điều khiển Fuzzy Q-Learning để điều chỉnh các tham số Hys và TTT45
4.4.1. Reinforcement Learning ......................................................................................46
4.4.2. Q-Learning...........................................................................................................46
4.4.3. Fuzzy Q-Learning ................................................................................................ 47
4.4.4. Áp dụng thuật toán điều khiển Fuzzy Q-Learning trong quá trình nghiên cứu ..48
4.4.4.1. Biến trạng thái và biến hoạt động .....................................................................48
4.4.4.2. Các hàm thành phần .........................................................................................48
4.4.4.3. Hàm trả về ........................................................................................................51
4.4.4.4. Hệ thống Fuzzy Inference (FIS) .......................................................................52
4.4.4.5. Cấu trúc hệ thống Fuzzy Inference ...................................................................54
4.4.4.6. Thuật toán FQLC ..............................................................................................55
4.5. Kết hợp thuật toán FQLC và Diff_Load ................................................................ 57

4.5.1. Thuật toán Diff_Load ..........................................................................................57
4.5.2. Kết hợp thuật toán FQLC và Diff_Load .............................................................57
CHƢƠNG 5. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..........................................59
5.1. Tổng quan về chương trình mô phỏng LTE-Sim ...................................................59


5
5.2. Thông số mô phỏng ................................................................................................ 59
5.3. Kịch bản mô phỏng ................................................................................................ 61
5.4. Kết quả mô phỏng ..................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................63


6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
3GPP

Tiếng Anh

Tiếng Việt

3rd Generation Partnership Project

AC

Admission Control

Điều khiển kiểm soát

AC

Autonomic Computing

Tự tính

COD

Cell Outage Detection

Phát hiện Cell mất

COM

Cell Outage Management

Quản lý Cell mất

COP

Cell Outage Compensation

Bù Cell mất

ENB

Evolved NodeB

Phát triển NodeB

EPS

Evolved Packet System

Hệ thống gói phát triển

ES

Energy Saving

Tiết kiệm năng lương

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép kênh phân chia theo tần số

FIS

Fuzzy Inference System

Hệ thống dự đoán thông minh

FL

Fuzzy Logic

Logic mờ

Fuzzy Q-learning

Học máy thông minh

FQLC

Fuzzy Q-learning Control

Điều khiển học máy thông minh

HeNB

Home eNB

Trạm gốc

HOF

Handover Failure

Lỗi chuyển giao

HOP

Handover Optimization

Tối ưu hóa chuyển sao

HPP

Handover Ping-Pong

Chuyển giao Ping-Pong

HYS

Hysteresis

Độ trễ

Internet Protocol

Giao thức Internet

KPI

Key performance Indicator

Chỉ số hiệu suất

LB

Load Balancing

Cân bằng tải

FQL

IP

7
LTE

Long Term Evolution

Công nghệ mạng di động thế hệ
thứ 4

MLB

Mobility Load Balancing

Cân bàng tải di dộng

NCLO

Neighbor Cell List Optimization

Tối ưu hóa danh sách các Cell
lân cận

NE

Network Element

Phần tử mạng

OAM

Operation and Management

Hoạt động và quản lý

OPEX

Operating Expenditures

Chi phí điều hành

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RACH

Random Access Channel

Kênh truy cập ngẫu nhiên

RL

Reinforcement Learning

Học máy

RLF

Radio Link Failure

Lỗi tần số

RSRI

Reference Signal Received Indicator

Chỉ số tín hiệu nhận được

RSRP

Reference Signal Received Power

Công suất tín hiệu nhận được

RSRQ

Reference Signal Received Quality

Chất lượng tín hiệu nhận được

SAE

Service Architecture Evolution

Phát triển cấu trúc dịch vụ

SINR

Signal to Interference plus Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SON

Self-Organizing Networks

Mạng tự tổ chức

TDD

Time Division Duplex

Ghép kênh phân chia theo thời

QoS

gian
TTT

Time to Trigger

Thời gian Trigger

UE

User Equipment

Thiết bị sử dụng

Voice Over IP

Truyền giọng nói trên IP

VoIP


8
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các thông số lớp vật lý LTE ......................................................................... 15
Bảng 1.2: Tốc độ đạt đỉnh của LTE theo lớp ................................................................ 16
Bảng 3.1: Các thông số giám sát và thông số kích hoạt của các chức năng SON ........ 20
Bảng 3.2: Phân tích các thông số giám sát .................................................................... 23
Bảng 3.3: Phân loại tham số quan sát theo các nguồn .................................................. 26
Bảng 3.4: Phân loại các thông số giám sát dựa trên chu kỳ thời gian ........................... 27
Bảng 3.5: Các thông số cấu hình ................................................................................... 27
Bảng 3.6: Tổng quan về các thông số kích hoạt cho các chức năng SON khác nhau ... 28
Bảng 4.1: Các thông số của HOP, LB và AC ................................................................ 41
Bảng 5.1: Các thông số mô phỏng................................................................................. 58


9
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Quá trình phối hợp của các chức năng SON ................................................. 19
Hình 3.1: Phân loại xung đột ......................................................................................... 29
Hình 3.2: Các nhóm tham số ......................................................................................... 30
Hình 3.3: Một ví dụ của các nhóm tham số chức năng ................................................. 31
Hình 3.4: Sự thiết lập trọng số....................................................................................... 32
Hình 3.5: Tổng quan hệ thống ....................................................................................... 34

Hình 4.1: Sự nối tiếp tin nhắn chuyển giao LTE ........................................................... 36
Hình 4.2: Tối ưu hóa các thông số chuyển chuyển giao và các sơ đồ cân bằng tải ...... 39
Hình 4.3: Sơ đồ phối hợp cho các thuật toán: HOP, LB và AC .................................... 41
Hình 4.4: Hàm thành phần RLF và HPP ....................................................................... 49
Hình 4.5: Hàm thành phần HOF.................................................................................... 49
Hình 4.6: Cấu trúc hệ thống Fuzzy Infernce ................................................................. 53
Hình 5.1: So sánh hệ số HOF giữa hai kịch bản ........................................................... 60
Hình 5.2: So sánh hệ số RLF giữa hai kịch bản ............................................................ 61
Hình 5.3: So sánh hệ số HPP giữa hai kịch bản ............................................................ 61


10
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề:
LTE (Long Term Evolution) là công nghệ được coi như công nghệ di động thế
hệ thứ 4 (4G). LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành
cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. Nó dựa trên các công nghệ
mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA. LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và
một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc
độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu.
Sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ mạng đòi hỏi các nhà khai thác
cần quản lý mạng của họ thông minh hơn, nhằm cắt giảm chi phí hoạt động và nâng
cao doanh thu từ đầu tư. Trên thực tế, việc chuyển đổi từ mạng 2G sang 3G và 4G
không phải là quá trình đơn giản. Nó liên quan phần nhiều tới vấn đề tương thích công
nghệ, khả năng mở rộng cũng như giá thành đầu tư xây dựng mạng lưới. Ngoài ra, sự
chuyển đổi này còn tiềm ẩn nhiều bất ổn như cách thức triển khai công nghệ, ảnh
hưởng của công nghệ mới tới các nhà khai thác dịch vụ, cũng như sự chín muồi của
công nghệ mới. Bởi vậy, trước khi triển khai các công nghệ mới và cung cấp dịch vụ
thương mại, việc tự tối ưu hóa mạng là cần thiết. Công nghệ mạng tự tổ chức và khả
năng tự động hóa các quy trình vận hành của nó là một lựa chọn tối ưu cho các nhà

mạng. Mạng tự tổ chức cho phép tự động hóa các nhiệm vụ quy hoạch, cấu hình và tối
ưu mạng một cách nhanh chóng, giúp tiết kiệm thời gian hơn so với các tiếp cận trước.
Kết quả là giúp cắt giảm chi phí và đảm bảo khắc phục sự cố nhanh hơn.
Các nghiên cứu mới nhất về LTE SON (Mạng tự tổ chức) đã tập trung chủ yếu
vào việc phát triển các chức năng riêng lẻ. Tuy nhiên, trong các hệ thống mạng di động
thực tế, rất nhiều chức năng khác nhau của SON sẽ hoạt động đồng thời để tối ưu hóa
toàn bộ hiệu suất mạng. Với số lượng ngày càng tăng của các chức năng SON, những
xung đột và phụ thuộc giữa các chức năng này sẽ tăng lên. Những xung đột này có thể
xảy ra nếu, ví dụ, hai chức năng SON cá nhân khác nhau (như: tế bào Quản lý & Tiết
kiệm Năng lượng) nhằm mục tiêu khác nhau khi cố gắng để tối ưu hóa các thông số
tương tự (như: công suất truyền tải dữ liệu) tại một NE (phần tử mạng), hoặc nếu việc
sửa đổi các thông số kích hoạt bởi một chức năng SON có tác động tiêu cực đến hoạt
động của các chức năng SON khác. Những xung đột này có thể làm cho toàn bộ hệ
thống hoạt động trái ngược với mục tiêu tối ưu, giảm hiệu suất của hệ thống và sự hài
lòng của người dùng. Do đó việc phòng ngừa và giải quyết xung đột giữa các chức
năng SON là rất quan trọng.
Với số lượng ngày càng tăng của các chức năng SON, dữ liệu không gian đầu
vào và dữ liệu không gian đầu ra sẽ lớn và đa chiều, điều đó làm khó khăn cho việc lập
bản đồ từ các thông số đầu vào và đầu ra cho mục tiêu tối ưu hóa. Hơn nữa, thông tin
về các đầu vào có thể không đầy đủ và không được cập nhật (vì sự chậm trễ), điều đó
có thể gây ra tác động tiêu cực đến việc ra quyết định. Vì vậy, việc xác định một thuật
toán tìm kiếm trực tuyến hoàn toàn tự động rất quan trọng để giải quyết vấn đề.


11
Hiện nay, các khái niệm và giải pháp tích hợp SON trong lĩnh vực mạng di
động không dây không được mô tả nhiều trong các tài liệu tham khảo. Các hệ thống
3GPP đã chỉ mới bắt đầu làm việc trên tiêu chuẩn này.
Từ những vấn đề trên, tôi chọn đề tài ”Nghiên cứu mạng tự tổ chức dựa vào
thuật toán điều khiển Fuzzy Q-Learning”.

2. Mục đích nghiên cứu:
Nhận thức được những thách thức nêu trên, luận văn nêu mục tiêu tham gia việc
tìm giải pháp cho vấn đề này. Các nhà quản lý hệ thống nhìn nhận rằng hệ thống mạng
di động sẽ cần phải tự điều chỉnh và giải quyết vấn đề trong cấu hình của nó cũng như
tình trạng hoạt động một cách tự động hóa. IBM đã giới thiệu một qui trình để đánh
giá mức độ của tự hành trong hệ thống máy tính. Mô hình của nó chia thành bốn loại:
tự đặt cấu hình, tự bảo dưỡng, tự tối ưu hóa và tự bảo vệ. Kết quả là, hệ thống có thể
có khả năng tự động thích ứng với sự thay đổi liên tục của môi trường.
Dựa trên mô hình IBM tự quản lý mạng (ANM), cấu trúc cho hệ thống điều
phối LTE-SON gồm hai khối chính: khối giám sát và khối chạy bộ nhớ kết nối điều
phối. Cấu trúc này đã được áp dụng cho ba chức năng của SON: tối ưu hóa chuyển
giao (HPO), cân bằng tải (LB) và điều khiển nhập cell (AC) được tích hợp. Thuật toán
Fuzzy Q-Learing Control (FQLC) và thuật toán Diff_Load được đề xuất cho hoạt động
tương ứng. Thuật toán FQLC trách nhiệm điều chỉnh yêu cầu trễ và thời gian để kích
hoạt, trong khi thuật toán Diff_Load sẽ điều chỉnh các tham số chuyển giao bù đắp
dựa vào việc đo lường tải trọng khác nhau giữa các tế bào khác nhau.
Để kiểm tra và đánh giá các thuật toán, tôi sử dụng công cụ mô phỏng LTE-Sim
được phát triển bởi Politechnico di Bari. Các kết quả đã được phân tích và thảo luận để
đánh giá các thuật toán làm việc với các chức năng điều phối SON một cách cụ thể
nhất.
3.Bố cục đề tài:
Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo và Mục lục, kết cấu luận
văn gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động LTE
Nội dung trình bày tổng quan hệ thống thông tin di động LTE.
Chương 2: Các đặc điểm của LTE-SON
Trình bày về các đặc điểm của LTE-SON và các vấn đề gặp phải khi phối hợp
các chức năng SON với nhau. Phân loại, phân tích các thông số giám sát và các thông
số hoạt động của các chức năng SON khác nhau.
Chương 3: Giải pháp xử lý xung đột của các chức năng SON

12
Nội dung chương trình bày các tham số của các chức năng SON, đồng thời
phân loại chúng. Thêm vào đó, khả năng xử lý xung đột của các chức năng SON cũng
được trình bày.
Chương 4: Phối hợp quá trình tối ưu hóa chuyển giao, cân bằng tải và điều
khiển nhập cell
Nghiên cứu sự phối hợp của quá trình tối ưu hóa chuyển giao, cân bằng tải và
điều khiển nhập cell. Các thuật toán FQLC và Diff_load cũng được trình bày trong
chương này.
Chương 5: Mô phỏng và đánh giá kết quả
Chương này trình bày về chương trình mô phỏng LTE-Sim, xây dựng kịch bản
mô phỏng, đánh giá các kết quả mô phỏng.


13
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE
1.1.Giới thiệu về công nghệ LTE:
Ngày nay, hầu hết các hệ điều hành có xu hướng chuyển tất cả các dịch vụ kết
nối chuyển mạch tới một gói chuyển mạch cơ sở hạ tầng IP (Internet Protocol). Điều
này được thực hiện trong các nhà khai thác mạng điện thoại cố định trong khi cung cấp
cả điện thoại và truy cập Internet. Nhưng trong các mạng không dây, do sự hạn chế
băng thông được cung cấp bởi mạng 3G và 3.5G, tất cả các dịch vụ vẫn còn dựa trên
kết nối chuyển mạch mạch. Bên cạnh đó, VoIP (truyền giọng nói trên phương thức IP)
triển khai trên điện thoại tăng đáng kể, số lượng dữ liệu đã được chuyển qua giao diện
không gian, tức là môt số các cuộc gọi thoại có thể được xử lý đồng thời. Hơn nữa,
việc chuyển đổi từ giọng nói qua điện thoại đến IP mang lại rất nhiều lợi ích như mạng
rẻ hơn và tích hợp với các ứng dụng trên nền IP khác.
Trong khi đó, hạn chế về băng thông truyền của mạng 3G và 3,5G hiện nay đã

đặt ra rất nhiều khó khăn trong việc đạt được mục tiêu này. Do đó nó đã được quyết
định vào năm 2005 bởi tiêu chuẩn 3GPP để bắt đầu làm việc trên một mạng không dây
thế hệ tiếp theo, đó là chỉ dựa trên kết nối chuyển mạch gói. Nghiên cứu này được thực
hiện trong hai chương trình nghiên cứu. Các chương trình LTE tập trung vào thiết kế
của mạng vô tuyến mới và cấu trúc giao diện không gian. Sau đó, bắt đầu làm việc
trên thiết kế của một cơ sở hạ tầng mạnh lõi mới với chương trình SAE (Service
Architecture Evolution). Sau đó chúng được kết hợp thành một chương trình làm việc
duy nhất tên là EPS (Evolved Packet System). Từ thời điểm đó, thuật ngữ "LTE" đã
phát triển.
Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không
dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ
tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định
nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống
dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE là hệ thống dùng cho
di động tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế
giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người
sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và
các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA. Kiến trúc mạng mới được thiết
kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối
thiểu. Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và
SC-FDMA. Thêm vào đó, FDD (Frequency Division Duplexing) và TDD (Time
Division Duplexing), bán song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp. Không
giống như FDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm.
Điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE. Truy cập tuyến lên dựa vào
đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division
multiple AccessSC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất


14
đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với

OFDMA. Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh.
1.2.Yêu cầu thúc đẩy:
Nói tóm lại những yêu cầu thúc đẩy sự ra đời của hệ thống LTE là:
- Cải thiện các nhược điểm của 3G và đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.
- Người dùng đòi hỏi tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ cao hơn.
- Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói.
- Tiếp tục nhu cầu của người dùng về giảm giá thành (CAPEX và OPEX).
- Giảm độ phức tạp
- Tránh sự phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc không
phải một cặp dải thông.
1.3. Các giai đoạn phát triển của LTE:
- Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN và tối ưu
cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP.
- Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người
dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel. 6: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần (100Mbps).
Tải lên: gấp 2 đến 3 lần (50Mbps).
- Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 –“EUTRA”-phát
triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được chấp nhận. Cuối năm
2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại.
- Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA được sử
dụng cho đường lên.
1.4. Mục tiêu của LTE:
- Tốc độ dữ liệu cao.
- Độ trễ thấp.
- Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu
1.5. Các đặc tính cơ bản của LTE:
- Hoạt động ở băng tần: 700 MHz-2,6 GHz.
- Tốc độ:
+ DL: 100Mbps( ở BW 20MHz)
+ UL: 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát.

- Độ trễ: nhỏ hơn 5ms.
- Độ rộng BW linh hoạt :1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz.
Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.
- Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt
với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần.
- Phổ tần số:
+ Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD.


15
+ Độ phủ sóng từ 5-100 km.
+ Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz.
- Chất lượng dịch vụ :
+ Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
+ VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng
UMTS.
- Liên kết mạng:
+ Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các
hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.
+ Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và
UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các
dịch vụ còn lại.
+ Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm.
Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa là
nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Trong thực tế, hiệu suất thực sự
của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có sự lựa chọn
cho phổ tần của chính nó. Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập
trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao
phủ khắp nơi. Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của
3GPP. Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz),

cũng như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7-2.1 GHz)… Băng tần chỉ định
dưới 5MHz được định nghĩa bởi ITU thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng
tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao. Tính linh hoạt về
băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng
tần đã tồn tại của họ.
1.6. Các thông số lớp vật lý của LTE:
Bảng 1.1: Các thông số lớp vật lý LTE
Uplink

Đa truy cập phân chia theo tần số trực
giao đơn sóng mang (SC-FDMA)

Downlink

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDMA)

Kỹ thuật truy cập

Băng thông

1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz,
20MHz

Thời gian tối thiểu
Khoảng cách sóng mang con
Chiều dài CP
Ngắn

1ms

15 KHz
4.7µs


16
Dài
Điều chế

16.7 µs
QPSK, 16QAM, 64QAM
1 lớp cho UL/UE

Ghép kênh không gian

Lên đến 4 lớp cho DL/UE
Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL

Bảng 1.2: Tốc độ đạt đỉnh của LTE theo lớp
Lớp
1
2
3
4
5
Tốc độ đạt đỉnh DownLink
10
50
100
150
300

Mbps
UpLink
5
25
50
50
75
Dung lượng cho các chức năng lớp vật lý
Băng thông RF
20MHz
Điều chế
DownLink
QPSK, 16QAM, 64QAM
UpLink
QPSK, 16QAM
QPSK,
16QAM,
64QAM
1.7. Dịch vụ của LTE:
Qua việc kết nối của đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu
suất sử dụng phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ
đa dạng hơn. Đối với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng về dòng dữ liệu lớn, tải
về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phương tiện. Tất cả các dịch vụ sẽ cần lưu
lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi của người
dùng về đường truyền TV độ rõ nét cao. Đối với khách hàng là doanh nghiệp, truyền
các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lượng video hội nghị tốt…LTE sẽ mang đặc tính
của “Web 2.0” ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên. Dọc theo sự bảo đảm về
thương mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như game đa người chơi
và chia sẻ tập tin.
Tóm lại: Hệ thống LTE là hệ thống đa dịch vụ, đa người dùng phức tạp trong đó

hai yêu cầu quan trọng bao trùm là làm sao đáp ứng tốt nhất các yêu cầu dịch vụ đa
dạng của người dùng đồng thời phải đảm bảo yêu cầu sử dụng cơ sở hạ tầng có hiệu
quả đối với nhà cung cấp dịch vụ. Điều này phải lựa chọn điểm cân bằng tối ưu giữa
nhiều yêu cầu trái ngược nhau đối với 1 hệ thống tự điều chỉnh được trình bày chi tiết
hơn trong các chương sau.


17
CHƢƠNG 2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA LTE-SON
2.1. Cấu trúc mạng LTE-SON:
SON là một hệ thống có khả năng hỗ trợ các chức năng tự vận động (self-x), ví
dụ như tự cấu hình, tự tối ưu, tự phát hiện và sửa lỗi… từ đó giảm thiểu tác động cần
thiết của con người trong quá trình triển khai, vận hành hệ thống.
SON hiện được phân chia thành 2 kiểu cấu trúc chính:
Cấu trúc phân tán: Với kiểu kiến trúc này, các chức năng của SON được phân
tán về các phần tử tại biên của mạng, thông thường là tại các trạm thu phát sóng LTE
(eNB). Do vậy, các chức năng chủ yếu được thực hiện trong phạm vi eNB và thường
được cung cấp bởi chính các nhà sản xuất thiết bị eNB này.
Cấu trúc tập trung: Với kiểu kiến trúc này, chức năng được tập trung tại các
phần tử sâu hơn trong mạng lưới hoặc tại hệ thống hỗ trợ vận hành mạng (OSS), cho
phép bao quát nhiều phần tử mạng hơn và có thể điều hướng tải trên mạng trong một
phạm vi địa lý rộng. Do thực tế một nhà mạng thường mua thiết bị eNB từ nhiều nhà
cung cấp khác nhau nêu SON hoạt động theo kiểu kiến trúc này thường được cung cấp
bởi một bên thứ ba.
SON có 3 chức năng chính: Tự cấu hình, Tự tối ưu, Tự sửa lỗi. Bên cạnh việc
giảm thiểu được sự can thiệp của con người trong quá trình triển khai, vận hành mạng,
các chức năng tự cấu hình, tự tối ưu của SON còn giúp nhà mạng rút ngắn thời gian
triển khai, nhanh chóng cung cấp dịch vụ tới người dùng (theo đánh giá của Ericsson,
SON giúp giảm tới 40% thời gian triển khai mạng lưới, giảm 90% thời gian vận hành,
bảo dưỡng hàng ngày). Ngoài ra, SON còn giúp nâng cao chất lượng trải nghiệm dịch

vụ của người dùng nhờ chức năng tự phát hiện và sửa lỗi khiến thời gian tạm ngừng
dịch vụ giảm đáng kể.
2.2. Đặc điểm của LTE-SON:
Tự tổ chức là một cơ chế tiên tiến cho phép tự động hóa các hoạt động trong
mạng nhằm mục đích:
• Giảm chi phí tổ chức và điều hành mạng
• Bảo vệ mạng lưới hoạt động bằng cách giảm các lỗi do sự can thiệp của con
người trong quá trình xử lý
• Tăng tốc quá trình hoạt động
Mạng tự tổ chức (SON) có thể cải thiện đáng kể hiệu suất mạng và chất lượng
dịch vụ cho user. SON là một thành phần quan trọng của LTE và đang được chuẩn hóa
bới 3GPP.


18
Mục tiêu quan trọng của tiêu chuẩn 3GPP là khả năng hỗ trợ các tính năng SON
trong môi trường mạng của nhiều nhà cung cấp. Vì vậy, một phần quan trọng trong
việc chuẩn hóa SON đã được dành cho việc xác định các giao diện thích hợp để cho
phép trao đổi thông tin thông thường, có thể được sử dụng bởi mỗi thuật toán SON.
Các thông số kỹ thuật SON được xây dựng trên cấu trúc quản trị mạng 3GPP có sẵn.
Các giao diện quản lý đang được xác định một cách tổng quát thay vào đó là sự đổi
mới về việc triển khai nhà cung cấp khác nhau.
Phiên bản mới nhất của SON cung cấp nhiều thông số kỹ thuật cho mạng và
hoạt động đồng thời với các mạng di động hiện có. Nó bao gồm các tính năng:
• Tự động kiểm kê
• Tự động truyền tải
• Tự động tương quan
• Tự động chuyển nhượng vật lý Cell ID (PCI)
• Tối ưu hóa chuyển giao
• Tối ưu hóa RACH

• Tối ưu hóa cân bằng tải
• Lập tọa độ đa chiều của Inter-cell
• Báo cáo tình hình và khả năng tối ưu hóa (CCO)
• Nâng cao tính năng tối ưu hóa sức chịu đựng
• Nâng cao tính động của cân bằng tải (MLB)
• Nâng cao thiết lập kết nối Inter-cell
• Phát hiện sự gián đoạn và sự bồi thường
• Chức năng tự bảo dưỡng
• Giảm thiểu các thử nghiệm ổ đĩa
• Tiết kiệm năng lượng
Các tiêu chuẩn SON đang được xây dựng và SON sẽ tiếp tục mở rộng trong
thời gian tới để tổng quát tất cả các khía cạnh quan trọng liên quan đến quản lý mạng
lưới, bảo dưỡng và tối ưu hóa trong nhiều lớp, các mạng không đồng nhất.
2.3. Quản lý điều phối SON:
Các công việc dựa trên sự chuẩn hoá các chức năng SON được hoàn thành ở
3GPP trong năm 2011. Khi có thêm nhiều chức năng SON được chuẩn hóa, sự phối
hợp giữa nó ngày càng trở nên quan trọng hơn. 3GPP đã bắt đầu làm việc trên các tiêu
chuẩn quản lý điều phối SON từ năm 2012. Sự phối hợp này cần thiết để ngăn ngừa và


19
giải quyết các hành vi mạng ngoài dự đoán và không mong muốn (ví dụ như các cuộc
xung đột trong quá trình kích hoạt các thông số) bằng các chức năng SON khác nhau.
Bên cạnh đó, sự phối hợp cũng sẽ đưa vào tài khoản các mối quan hệ giữa các chức
năng SON để chúng hoạt động tốt và không ảnh hưởng tiêu cực đến nhau. Quản lý
điều phối SON sẽ đảm bảo rằng các chức năng SON cá nhân làm việc đồng thời hướng
tới cùng một mục tiêu và cho phép các nhà quản lý kiểm soát hệ thống SON một cách
tổng thể. Sự phối hợp giữa quản lý cell bị sự cố và quản lý tiết kiệm năng lượng là một
ví dụ điển hình.
Hiện nay, các khái niệm và giải pháp cho điều phối viên SON trong lĩnh vực

mạng di động không dây không được mô tả và cung cấp nhiều nhưng đó là một lĩnh
vực rất thú vị mà nhiều nghiên cứu đang thực hiện. Tổng quan về các xung đột trong
quá trình phối hợp giữa các chức năng SON khác nhau đã được quy định trong dự án
SOCRATES [6]. Nó được thể hiện trong hình 2.1.

Hình 2.1: Quá trình phối hợp của các chức năng SON
Như chúng ta đã thấy từ hình vẽ trên, càng nhiều chức năng SON được tích hợp
thì hệ thống quản lý phối hợp sẽ phức tạp hơn. Trong các trường hợp nghiên cứu của
luận văn này, chỉ có ba trường hợp sử dụng được tích hợp. Đó là tối ưu hóa chuyển
giao, cân bằng tải và điều khiển nhập cell. Hình trên cho thấy các chức năng này có
một sự phụ thuộc mạnh mẽ, chúng được điều chỉnh bởi các thông số tương tự nhau và
phân tích cùng một tập hợp các thông số đầu vào theo dõi.


20
CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP XỬ LÝ XUNG ĐỘT
CỦA CÁC CHỨC NĂNG SON
3.1. Phân loại các thông số của các chức năng SON:
Phần này tóm tắt các phép đo được yêu cầu bởi các chức năng khác nhau của
SON và các thông số kích hoạt cần phải được thay đổi để tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Các nội dung của các bảng dưới đây được bắt nguồn từ chức năng SON quy định tại
thông số kỹ thuật 3GPP. Tổng quan về các yêu cầu đo lường bởi các chức năng khác
nhau của SON được tạo ra cùng với những mục tiêu và các thông số kích hoạt. Bảng
3.1 đưa ra một cái nhìn tổng quan về các trường hợp sử dụng, cùng với các thông số
giám sát và các thông số kích hoạt của nó. Ở đây, ta chỉ chú trọng 3 trường hợp đó là
tối ưu hóa chuyển giao, cân bằng tải và điều khiển nhập cell. Các thông số giám sát có
thể là số liệu thống kê, phép đo, hoặc KPIs và lấy từ UEs, eNB, HeNB hay OMC.
Trong suốt luận văn này, các thuật ngữ khác nhau được sử dụng một cách chọn lọc:
hành động / kích hoạt / các thông số kích hoạt. Nói chung, nó đề cập đến các thông số
được thay đổi trong quá trình ra quyết định để tối ưu hóa hiệu suất mạng.

Bảng 3.1: Các thông số giám sát và thông số kích hoạt của các chức năng SON
Trƣờng hợp

Tối ưu hóa
chuyển giao

Thông số giám
sát

Mục đích

RSRP

Để xác định yêu cầu chuyển giao khi công -Độ trễ
xuất tín hiệu nhận được giảm

SINR

Để xác định tỷ lệ cuộc gọi bị lỗi

Thông tin lịch sử
của các UE

Phân tích thông tin các tế bào đã chuyển
giao và thời gian để xác định được hiện
tượng Ping-Pong trong quá trình chuyển
giao

Tỉ lệ lỗi chuyển
giao (HO faillure

ratio)

Nếu giá trị của các tham số này vượt quá
mức ngưỡng thì thuật toán tối ưu bắt đầu
tác động

Cuộc gọi bị rớt
(Call dropping)
Tỉ lệ Ping pong
(Ping pong ratio)
Cân bằng tải

Thông số
kích hoạt

Tải và các tài

Để kích hoạt chức năng cân bằng tải tại

-Danh sách
các tế bào lân
cận

-Thời gian
kích hoạt


21
nguyên vật lý

SeNB và thông tin về TeNB

RSRP

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu và ước lượng tải
của quá trình điều hành cân bằng tải dựa
trên hiệu suất của mạng

RSSI (cường độ
tín hiệu nhận
được)

-Độ lệch
chuyển giao
-Thời gian
kích hoạt
-Độ trễ
chuyển giao
-Mức tải đích

DL RS TX công
suất

-Mức tải chấp
nhận lớn nhất

Công suất giao
thoa nhận được
Tỉ lệ cuộc gọi bị
lỗi

Tỉ lệ chuyển giao
Ping pong
Tỉ lệ chuyển giao
thành công
Tối ưu hóa
điêu khiển

Các cuộc gọi
chuyển giao nhận
được

Được sử dụng để xác định sự suy giảm
hiệu năng của các cuộc gọi chuyển giao

Các cuộc gọi mới
nhận được

Được sử dụng để xác định sự suy giảm
hiệu năng của các cuộc gọi mới

Tỉ lệ tổn hao lưu
lượng của cuộc
gọi thời gian thực

Được sử dụng để xác định sự suy giảm
hiệu năng của các cuộc gọi thời gian thực

Tỉ lệ cuộc gọi
thông qua

Được sử dụng để xác định sự suy giảm
hiệu năng của các cuộc gọi thời gian thực

GCI

Trong trường hợp không xác định được
PCI, eNB phục vụ sẽ yêu cầu GCI tìm
trong thông tin MME về tế bào đó

Ngưỡng
chuyển giao
(Xác định
dung lượng
chuyển giao
của tế bảo cho
các cuộc gọi
chuyển giao)

Danh sách các
tế bào lân cận

3.1.1. Thông số giám sát:
Sau khi thu thập thông tin từ các bài báo được cung cấp bởi tổ chức 3GPP, các
thông số giám sát đã được phân loại vào một bảng rõ ràng bao gồm tất cả các thông tin
cần thiết về một tham số cụ thể (chẳng hạn như loại, lớp, giai đoạn nguồn, vv). Bảng
3.2 được mô tả như sau:


22
 Tên của các thông số và đơn vị của nó

 Các trường hợp sử dụng SON: một danh sách các trường hợp sử dụng mà cần
những thông số này như một dữ liệu đầu vào
-

HO tối ưu hóa (Tối ưu hóa chuyển giao)

-

LB (Cân bằng tải)

-

HeNB tối ưu hóa (Tự tối ưu hóa các HeNB)

-

AGP (Tự động thế các thông số ban đầu cho eNB )

-

COD (Phát hiện khối mất điện)

-

COP (bồi thường khối mất điện)

-

COM ( Quản lý khối mất điện)

-

AC (điều khiển nhập cell)

-

NCLO (Tối ưu hóa danh sách cell lân cận)

-

Tối đa hóa công suất và mức độ ảnh hưởng

-

ES ( Tiết kiệm năng lượng)

 Loại phép đo: tất cả các loại dữ liệu được liệt kê có thể phục vụ như là đầu vào
cho các chức năng SON. Thông số giám sát được định nghĩa là dữ liệu lấy trực
tiếp từ NE hoặc UE hay được thiết lập từ các dữ liệu thô NE hoặc UE. Điều
đáng lưu ý là một phép đo bao gồm tất cả các loại dữ liệu có thể phục vụ như là
dữ liệu đầu vào cho một chức năng SON và không giới hạn trong giá trị đo từ
NE hay UE.
-

Bộ đếm: một bộ đếm đại diện cho một giá trị duy nhất được duy trì hoặc
quan sát bởi NE, ví dụ như các bộ đếm bị lỗi, từng bước đếm số bị lỗi trong
một khoảng thời gian (số thất bại chuyển giao, số lượng kết nối vô tuyến
lỗi,...)

-

KPI (chỉ số hoạt động hiệu suất): một KPI sử dụng giá trị truy cập như là
đầu vào và tính toán từ chúng một giá trị theo một thuật toán được xác định
rõ.

-

Báo động: báo động là sản phẩm của NE và gửi đến hệ thống OAM, kích
hoạt bởi các sự kiện được xác định.

-

Bộ thời gian: tính giờ bắt đầu và dừng lại bởi NE để đo lường quá trình
chuyên dụng. Trong tình huống thời gian vượt quá, nó có thể báo để kích
hoạt báo động hoặc phát hiện lỗi.


23
-

Phép đo trực tiếp: một giá trị được thực hiện bởi NE hoặc UE, khi có biến
cố xảy ra hoặc theo định kỳ và đại diện cho một trạng thái nhất định của NE
hoặc kết nối (ví dụ như tải, điện DL,...)

-

Thống kê: giá trị thống kê là một giá trị thiết lậpbởi phép đo trực tiếp hoặc
loại khác (truy cập, báo động,...) vượt khoảng thời gian. Chúng có thể được
tính theo NE, UE hoặc hệ thống OAM.

 Lớp: Lớp OSI nơi phép đo được thực hiện
 Phép đo nguồn: các phần tử mạng, nơi phép đo được thực hiện. Một số thực thể
mạng, nơi phép đo có được từ NE, UE, hệ thống OAM...
 Chu kỳ: khoảng thời gian trong đó các phép đo được thực hiện: mili giây, giây,
phút, giờ.
 Mục đích: mô tả về mục đích sử dụng của phép đo. Nó mô tả các tế bào của các
tham số.
Các nội dung của bảng 3.2 đã được tạo ra để cung cấp cho một cái nhìn tổng
quan về các yêu cầu đo lường giám sát cho các chức năng khác nhau của SON. Điều
này cho phép các phép đo theo yêu cầu của nhiều chức năng SON nhằm được xác định
cũng như sự khác biệt về các yêu cầu cho các chức năng khác nhau của SON. Trong
trường hợp các thông số tương tự được yêu cầu bởi một số chức năng SON với thiết
lập khác nhau (lớp, thời gian,…) các tham số chỉ được liệt kê một lần nhưng với các
đặc điểm khác nhau.. Để xác định các chức năng SON, đòi hỏi một tham số ở đầu vào,
từ viết tắt được sử dụng (HO, AGP, COM,…) Những thông số tương tự được nhóm lại
với nhau.
Bảng 3.2: Phân tích các thông số giám sát
Parameters

Usecases

Type

HO
optimisation
Load
Balancing
RSRP[dB]

Layer

Source

Period

Purposes

1

UE

ms

UE monitors RSRP from neighbouring
cells in order to determine a HO target
when RSRP from SeNB is degrading

1

UE

ms

SINR and load estimisation

1

UE/He
NB

Seconds

HeNB measures the BS’s Txpower to
calculated the suitable transmission
power

1

UE

Mins

Identify neighbours of newly installed
eNBs

Direct
measurement

HeNB
optimisation
AGP

SINR[dB]

HO
optimisation

Processed data

3

UE

ms

Is used to detect call drops.If the SINR
falls below a threshold for a certaintime,
UE is considered to be dropped from the
network

DLRSTX
power[dB]

Load balancing

Direct
measurement

1

eNB

ms

For measuring SINR and load
estimation