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

B GIO DC V O TO

B CễNG THNG

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
Always Best Connected concept
ABC
AC
Available Channels
AMPS
Advanced Mobile Phone
System
ANFIS
Adaptive Neuro-Fuzzy
Inference Systems
BCO
Borrowing with Channel
Ordering
BS
Base Station
BP
Back Propagation
CBWL
Channel Borrowing Without
Locking
CD
Code Division
CDMA
Code Division Multiplexing

CP-Based- Compact Pattern Based
DCA
Dynamic Channel Assignment
CNIR
Carrier to Noise plus
Interference Ratio
CS
Channel Segregation
DAB/DVB Digital Audio Broadcast/Digital
Video Broadcast
Borowing with Direction
DBCL
Channel Locking
DCA
Dynamic Channel Assignment
DBNFS
Distributed dynamic channel

D-LBSB

borrowing based on Neural
networks – fuzzy –
subsethood
Distributed-LBSB

Nghĩa tiếng Việt
Khái niệm luôn kết nối tốt nhất
Số kênh cho phép ( còn rỗi)
Hệ thống ñiện thoại di ñộng
AMPS

Hệ thống suy diễn nơ ron- mờ
thích nghi
Mượn với sắp xếp kênh
Trạm cơ sở
Thuật truyền ngược
Mượn kênh không khoá
Phân chia theo mã
ða truy nhập phân chia theo mã
Phân cụm dựa trên gán kênh ñộng
Tỉ số công suất sóng mang trên tạp
âm và nhiễu.
Chia tách kênh
Kỹ thuật tiếng nói / hình ảnh số
mặt ñất
Mượn kênh với khóa kênh theo
hướng
Gán kênh ñộng/Cấp kênh ñộng
Mượn kênh ñộng phân tán trên cơ
sở mạng nơ ron mờ- subsethood

ETSI

European Telecommunication
Standard Institute

EV-DO

EVolution-Data Optimized

LBSB phân tán

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu
Âu
Phát triển – tối ưu hóa dữ liệu

ETACS

European Total Access
Communications System
Fixed Channel Assignment
Fuzzy C-Means clustering

Gán kênh cố ñịnh
Thuật toán gom cụm C-Mean mờ

FCA
FCM


8

FD
FDMA

FDCBS
FIFO
FIS
FlCA

FLC
GA

GSM
GPRS

Frequency Division
Frequency Division
Multiplexing Access
Fuzzy-based Dynamic ChannelBorrowing Scheme
First In First Out
Fuzzy Inference System
Flexible Channel Assignment
Fuzzy Logic Controller
Generic Algorithm
Global System for Mobile

LSE
MSC

General Packet Radio Service
Independent Component
Analysis
Internet Engineering Task Force
International Mobile
Telecommunication- Advance
International Mobile
Telecommunication at 2000
MHz
Interim Standard 95
Internet Protocol
Japanese Total Access
Communications System

Local Area Network
Load Balancing with Selective
Borrowing
Locally Optimised Dynamic
Assignment Strategy
Least Square Error
Mobile Switching Centre

MS
MIMO

Mobile Station
Multi Input- Multi Output

MTSO

Mobile Telephone Switching
Office
Neural-Fuzzy Controller

ICA
IETF

IMT-A
IMT-2000

IS-95

IP
JTACS

LAN
LBSB
LODA

NFC

Phân chia theo tần số
ða truy nhập phân chia theo tần số
Mượn kênh ñộng trên cơ sở logic
mờ
Hàng ñợi FIFO
Hệ thống suy diễn mờ
Gán kênh linh hoạt
Bộ ñiều khiển logic mờ
Thuật gen
Hệ thống thông tin di ñộng toàn
cầu
Dịch vụ vô tuyến gói chung
Phân tích thành phần ñộc lập
Nhóm ñặc trách kỹ thuật Internet
Di ñộng quốc tế nâng cao
Di ñộng quốc tế hoạt ñộng ở băng
tần 2000 MHz
Chuẩn IS-95
Giao thức Internet
Hệ thống truy cập tổng Nhật Bản
Mạng cục bộ
Cân bằng tải với mượn chọn lọc
Chiến lược gán kênh ñịa phương
ñộng

Sai số bình phương tối thiểu
Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di
ñộng
Thiết bị di ñộng
Hệ thống nhiều ñầu vào – nhiều
ñầu ra
Tổng ñài chuyển mạch thoại di
ñộng
Bộ ñiều khiển Nơ ron – Mờ


9

NFS

Neural-Fuzzy Controller for
the Dynamic ChannelBorrowing Scheme
Noron- Fuzzy- Subsethood

NMT

Nordic MobileTelephone

OFDMA

Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing Access
Orthogonal Variable Spreading
Factor
Principal Component Analysis

Personal Digital Assistant
Personal Digital Cellular
Post Switch Telephone Network

NFDCBS

OVSF
PCA
PDA
PDC

PSTN
QoS
RSS
RMSE
SB
SHCB
Subsethood
TACS
TD
TDMA
TL
TSK
xG
UMTS

UWB
WCDMA
WISDOM

Quality of Service
Received Signal Strengh
Root Mean Square Error
Simple Borrowing
Simple Hybrid Channel
Borrowing Scheme
Total Access Communication
System
Time Division
Time Division Multiplexing
Access
Traffic Load
Takagi-Sugeno-Kang Model
x Generic
Universal Mobile Telephone
System
Ultra-WideBand

Mượn kênh ñộng trên cơ sở bộ
ñiều khiển Nơ ron – Mờ
Bộ ñiều khiển mạng nơ ron – mờ subsethood
ða truy cập phân chia tần số trực
giao
Mã OVSF
Phân tích thaanhf phần cơ bản
Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân
di ñộng cá nhân tế bào số
Mạng ñiện thoại chuyển mạch
công cộng
Chất lượng dịch vụ

Cường ñộ tín hiệu thu ñược
Sai số bình phương trung bình
Mượn kênh ñơn giản
Thuật toán mượn kênh lai ghép
ñơn giản
Phép ño subsethood mờ
Hệ thống truy nhập tổng
Phân chia theo thời gian
ða truy nhập phân chia theo thời
gian
Tải lưu lượng
Mô hình TSK
Thế hệ x (x=1,2,3,4,5)
Hệ thống di ñộng UMTS

Công nghệ không dây UWB
ða truy cập phân chia mã băng
Wideband Code Division
thông rộng.
Multiple Access
Wireless Innovative System for Hệ thống phát minh vô tuyến ñể
Dynamic Operating Mega
truyền thông Mega ñộng.
communications concept


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
C
Hình 3.7: Trường hợp 1:ν OL

,k

=Ck ...........................................................................................................87

C

Hình 3.8: Trường hợp 2:ν OL

,k

> Ck ............................................................................................................88

m

m