Tài liệu Luận án tiến sĩ kỹ thuật về một phương pháp mới điều khiển mượn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ðIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ðỘNG HOÁ HÀ MẠNH ðÀO VÒ MéT PH¦¥NG PH¸P MíI §IÒU KHIÓN M¦îN, KHãA K£NH TÇN Sè M¹NG DI §éNG TÕ BµO Chuyên ngành: Kỹ thuật ðiện tử Mã số :62.52.70.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Thái Quang Vinh HÀ NỘI – 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 11 C Hình 3.9: Trường hợp 3:ν OL m ,k < Ck ............................................................................................................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.