Phương pháp này cho phép định vị thuê bao di động rất hiệu quả và chính xác trong quá trình cập nhập lại vị trí của thuê bao trên cơ sở khoảng cách di chuyển và xác suất cuộc gọi đến c
Trang 1ứng dụng logic mờ vào quá trình cập nhập vị trí thuê bao di
động theo thời gian thích ứng
Ngô Hán Chiêu, Trần Quý, Đặng Văn Hoàng Thông
Tóm tắt:
Bài báo giới thiệu phương pháp cập nhật vị trí thuê bao di động theo thời gian thích ứng
sử dụng logic mờ Phương pháp này cho phép định vị thuê bao di động rất hiệu quả và
chính xác trong quá trình cập nhập lại vị trí của thuê bao trên cơ sở khoảng cách di
chuyển và xác suất cuộc gọi đến của máy di động Quá trình này được thực hiện thông
qua hệ thống điều khiển mờ So với các phương pháp cập nhật thông thường khác, phương
pháp này đáp ứng tốt hơn trong những môi trường mà đặc tính di chuyển của thuê bao
luôn thay đổi, đồng thời đảm bảo tốt hơn các yêu cầu về thông số kỹ thuật hệ thống, nhất
là tín hiệu nhắn tin tìm kiếm (paging) và báo hiệu của mạng
1 Giới thiệu:
Ngày nay, sự gia tăng không ngừng số lượng người sử dụng di động đã làm cho lưu
lượng thông tin báo hiệu trong mạng thông tin di động cá nhân ngày càng lớn Do đó, để
có thể duy trì tốt khả năng cung cấp dịch vụ của mạng cho mật độ thuê bao ngày càng
cao, kích thước cell ngày càng được giảm nhỏ Tuy nhiên, khi kích thước cell càng nhỏ
thì thông tin báo hiệu dùng để định vị thuê bao trong mạng càng tăng, điều này làm giảm
đáng kể băng thông của hệ thống Phương pháp định vị thuê bao liên quan đến một số các
thông số đòi hỏi phải có để hệ thống mạng có khả năng duy trì thông tin vị trí của từng
thuê bao, đặc biệt đối với các thiết bị đầu cuối di động được kích hoạt cùng với một số
thuê bao đăng ký (ví dụ máy di động dùng SIM card) và để hệ thống mạng thiết lập các
cuộc gọi đến một cách hiệu quả hơn Vị trí của thuê bao thường được xác định dựa trên sự
kết hợp giữa việc cập nhật vị trí thuê bao và nhắn tin tìm gọi (paging) Để quyết định khi
nào thì cập nhật vị trí thuê bao, ta có thể dựa trên một vài yếu tố sau: dựa theo vùng, dựa
theo thời gian, dựa theo khoảng cách và dựa theo chuyển động của thuê bao Hiện nay,
phương pháp cập nhật vị trí thuê bao theo vùng là được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất,
với vùng được định nghĩa là một vài cell nằm lân cận nhau và việc cập nhật vị trí thuê bao
được thực hiện khi mà thuê bao đi vào một vùng mới Nhược điểm của phương pháp cập
nhật vị trí theo vùng là xảy ra hiệu ứng ping – pong khi đầu cuối di động di chuyển vòng
quanh ranh giới vùng Khi ấy sẽ tạo ra nhiều thủ tục cập nhật vị trí vô ích, điều này làm
lãng phí băng thông của hệ thống do việc sử dụng nhiều kênh nhắn tin tìm gọi của tất cả
các cell trong vùng Kết quả là khi tối ưu hoá kích thước vùng cần phải xem xét đến tính
tương quan giữa bản tin báo hiệu và kích thước vùng Vì thế, người ta đã tiến hành nghiên
cứu phương pháp cập nhật vị trí theo nhiều lớp nhằm giải quyết vấn đề ping – pong Trong
phương pháp cập nhật vị trí theo thời gian, máy di động cập nhật vị trí của nó sau một
khoảng chu kỳ T Trong phương pháp cập nhật vị trí theo chuyển động thuê bao, thuê bao
Trang 2sẽ phát các bản tin bản tin cập nhật cho M cells và trong phương pháp cập nhật vị trí theo
khoảng cách, vị trí thuê bao được cập nhật khi mà khoảng cách của thuê bao đến trạm gần
nhất vượt qua ngưỡng giá trị D Trong các phương pháp này thì phương pháp cập nhật vị
trí theo khoảng cách là có hiệu quả nhất Phương pháp cập nhật theo thời gian, băng thông
nhắn tin tìm gọi tăng lên khi tốc độ di chuyển của thuê bao di động tăng lên do khoảng
cách di chuyển trong khoảng thời gian cố định T tăng tuyến tính theo vận tốc của thuê
bao Phương pháp cập nhật vị trí theo khoảng cách và theo chuyển động của thuê bao, tỷ
lệ cuộc gọi đến thay đổi dựa trên tốc độ di chuyền của thuê bao vì thời gian để di chuyển
trong cùng một khoảng cách hay cùng số lượng cell là khác nhau Các phương pháp cập
nhật vị trí này thường thì không phản ảnh được sự thay đổi tỷ lệ cuộc gọi đến và tốc độ di
chuyển của thuê bao Nói chung, có một vài khó khăn khi xác định các thông số T, D và
M vì mỗi thuê bao di động có các đặc tính di động khác nhau
Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra phương pháp cập nhật vị trí thuê bao theo thời
gian thích nghi Trong đó, vị trí thay đổi của thuê bao được cập nhật dựa trên tốc độ di
chuyển của máy di động và tỷ lệ cuộc gọi đến bằng phương pháp logic mờ (fuzzy logic)
2 Phương pháp định vị thuê bao đề xuất:
Việc giảm kích thước cell sẽ làm tăng tỷ lệ tái sử dụng tần số và dung lượng thuê bao,
đồng thời cũng làm tăng tần suất chuyển giao và cập nhật vị trí thuê bao Để giảm thiều
hao phí cập nhật vị trí thuê bao, người ta đã đưa ra hai hướng nghiên cứu cho vấn đề này
Thứ nhất, là giảm thiểu số lượng bản tin cập nhật thuê bao và tin nhắn tìm gọi trên một
phổ tần vô tuyến Thứ hai là giảm lượng thông tin báo hiệu tại các hệ thống quản lý cơ sở
dữ liệu như HLR (Home Location Register) và VLR (Visitor Location Register) Trong
bài báo này, chúng tôi đưa ra phương pháp làm giảm thiểu tổng hao phí cập nhật vị trí và
nhắn tin tìm gọi tùy thuộc vào tốc độ và tỷ lệ cuộc gọi đến thực tế trong môi trường mà
đặc tính di chuyển của thuê bao luôn luôn thay đổi Mỗi thiết bị đầu cuối về cơ bản đều
thực hiện cập nhật vị trí theo thời gian và những thay đổi vị trí ấy được cập nhật theo chu
kỳ dựa trên các thông số mờ đơn giản ở đây, thông số đầu vào là khoảng cách di chuyển
của thuê bao và tỷ lệ cuộc gọi đến, đầu ra của hệ thống điều khiển là chu kỳ cập nhật vị trí
thích ứng cho hệ thống
2.1 Phương pháp cập nhật vị trí đề xuất:
Quá trình xử lý một cuộc gọi trong thuê bao di động được chia thành bốn giai đoạn
là: thiết lập cuộc gọi, trạng thái chờ, truy nhập hệ thống và trạng thái kênh lưu lượng
(cuộc gọi thành công) Bản tin cập nhật vị trí thuê bao được truyền đến hệ thống ở giai
đoạn trạng thái chờ Trong suốt trạng thái này, trạm di động giám sát các kênh nhắn tin
tìm gọi và nhận các bản tin có liên quan đến quá trình đăng ký cuộc gọi Ngoài ra, khi ở
trạng thái này, nếu thấy cần thiết thì trạm di động có thể thực hiện việc cập nhật lại vị trí
và thực hiện chuyển giao Trong phương pháp đưa ra, việc cập nhật vị trí trạm di động
được thực hiện dựa trên thông tin về vị trí và trạng thái của thuê bao nhận được từ trạm
Trang 3gốc BS (Base Station) Trong suốt trạng thái chờ, máy di động sẽ quan sát các thông tin về
nhận dang hệ thống SID (System Identification), nhận dạng mạng NID (Network Identification), kinh độ và vĩ độ của trạm gốc Máy di động lưu trữ thông tin thời gian hệ
thống và thông tin vị trí của trạm gốc BS mà nó đăng ký trước đó Khi máy di động di
chuyển vào cell mới, nó sẽ tính toán khoảng cách giữa cell mới và cell cũ đăng kí trước
đó Nếu gọi:
ư LATc: vĩ độ cell hiện tại
ư LONGc: kinh độ cell hiện tại
ư LATp: vĩ độ cell đăng ký trước đó
ư LONGp: kinh độ cell đăng ký trước đó
ư Tp: thời gian hệ thống trước đó
ư Tc: thời gian hệ thống hiện tại
Khi đó, khoảng cách giữa cell hiện tại và cell đăng ký trước đó được tính bằng công
thức sau:
16
2 2
long lat
Trong đó: Δlat = LATc - LATp
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ 14400 180
cos π x LATp
Giả sử rằng giá trị r(i), là khoảng cách đến BS gần nhất, được thay đổi nếu việc tính
toán giá trị khoảng cách DIST trái ngược yêu cầu hoặc vượt qua giá trị ngưỡng Máy trạm
di động tiếp tục ở trạng thái chờ nếu như r(i) không thay đổi Nếu r(i) thay đổi, chúng ta
sẽ tính toán tốc độ di chuyển của trạm di động Tốc độ trung bình của máy di động E(v)
được tính theo công thức sau:
E(v)= DIST/(Tc - Tp)
Tiếp theo, chúng ta tính tỷ lệ cuộc gọi đến, được tính theo hàm phân bố cuộc gọi đến,
FT(t) Xác suất cuộc gọi đến (Pca) được trong thời gian τ được tính theo công thức:
Pca = p(T τ + tc | T > tc)
= (p[T τ + tc] - p[T tc])/p[T > tc] = (F[τ + tc] - F[tc])/(1- f[tc])
Trong đó, biến τ là chênh lệch thời gian giữa thời gian suy luận và thời gian cập nhật;
tc là chênh lệch thời gian giữa thời gian hiện tại và thời gian cuộc gọi đến trước đó; T là
Trang 4chu kỳ cập nhật vị trí của thuê bao di động, thời gian mở rộng cập nhật tex là thời gian
được tính toán thông qua thuật toán logic mờ Thuật toán hợp thành mờ sử dụng DIST và
tỷ lệ cuộc gọi đến như là các biến đầu vào Quá trì suy luận hợp thành mờ được thực hiện
tại từng thời điểm xác định Cho dù thời gian suy luận mờ không vược quá giá trị xác
định nhưng nếu r(i) thay đổi thì việc suy luận mờ cũng được thực hiện Kết quả là chu kỳ
cập nhật vị trí được thay đổi theo khoảng cách di chuyển của máy di động và tỷ lệ cuộc
gọi đến Phương pháp suy luận mờ (hợp thành mờ) sẽ được đề cập rõ ở phần sau
2.2 Mô hình hệ thống mờ:
Một hệ thống mờ bao gồm các thành phần sau: bộ mờ hoá, luật hợp thành mờ và bộ
giải mờ Giá trị đầu ra của hệ thống mờ được xác định dựa trên thông số đầu vào bộ mờ
hoá và luật hợp thành mờ, luật Nếu Thì Dữ liệu sau khi đưa vào bộ mờ hoá sẽ chuyển
đổi thành các biến ngôn ngữ mờ và đưa vào bộ hợp thành mờ Tại đây, bộ hợp thành mờ
sẽ lấy số liệu đã mờ hoá và thực hiện việc suy luận mờ dựa trên các luật điều khiển mờ đã
được xây dựng Các giá trị xác định 0 hay 1 sẽ được chuyển thành cách biến ngôn ngữ mờ
(giá trị mờ) thông qua các hàm thuộc
Kiểm tra SID,NID,REG-ZONE,
calls/Tp
Kiểm tra BASE_LATc, BASE_LONGc, LATp, LONGp,
Tc, Tp Tính toán khoảng cách DIST
Tính toán vận tốc MS Vms = DIST/(Tc - Tp)
Vị trí MS có thay
đổi không?
Tính toán
NURT > ET ?
Cập nhật vị trí vào VLR
Có
Có
không
không
Ghi chú:
NLUT: Thời gian lần
cập nhật tiếp theo
ET: thời gian đã dùng
Trang 5Logic mờ sử dụng các biến ngôn ngữ để ánh xạ các biến mờ ngỏ vào thành các biến
ngỏ ra thông qua các luật điều khiển mờ Nếu Thì Trong hệ thống này, chúng ta sử
dụng 12 luật điều khiển mờ để điều khiển Tuỳ thuộc vào các giá trị DIST và Pca, thời
gian bổ sung để cập nhật vị trí thuê bao sẽ thay đổi từ - 0.7T đến + 0.7T
DIST
Bảng 1 Bảng luật điều khiển mờ
Chú thích : PVL (Positive Very Large); PL (Positive Large); PM (Positive Medium); PS (Positive
Small); NS (Negative Small); NM (Negative Medium); NL (Negative Large); NVL (Negative
Very Large)
Hàm thuộc của thời gian bổ sung cho việc cập nhật lại vị trí thuê bao được xác định
theo hình vẽ sau:
3 Tính toán các chỉ tiêu hệ thống
3.1 Mô hình tính toán:
Để so sánh phương pháp đưa ra và các phương pháp cập nhật vị trí thông thường
khác, chúng ta nghiên cứu trên mô hình mạng cell dạng lục giác Trong mô hình này,
phân bố Poison được dùng để xử lý cuộc gọi đến và đi khi mà thuê bao A di chuyển đến
một cell bất kỳ của 6 cell lân cận với cùng một xác suất cuộc gọi p tại cùng một khe thời
gian cố định Phương pháp cập nhật được so sánh cùng là phương pháp cập nhật theo
vùng, theo thời gian và theo khoảng cách Các thông số tham khảo như sau:
V Vận tốc di chuyển của máy di động 2 ~ 80 Km/h
μ
-0.1 -0.3
-0.5
- 0.7
Hình 2: Hàm thuộc của thời gian bổ sung cho việc cập nhật vị trí
Trang 6λ Tỷ lệ cuộc gọi đến 2.8 calls/h
L Bán kính vùng, trong phương pháp cập nhật
D Khoảng cách cực đại, trong phương pháp
cập nhật theo khoảng cách 1.2 Km
T Thời gian cập nhật, trong phương pháp cập
nhật theo thời gian 30 min
ex
t Thời gian cập nhật, trong phương pháp đề
Bảng 2: Tham số tính toán
Việc chọn lựa các thông số L, D, T là hết sức quan trọng để đưa ra sự so sánh chính
xác giữa phương pháp cập nhật thông thường và phương pháp cập nhật dùng logic mờ
Tuy nhiên, giá trị lý tưởng của các thông số này không bao giờ đạt được do đặc tính di
chuyển của thuê bao di động
3.2 Kết quả tính toán:
Dựa trên các thông số đưa ra trong bảng 2, chúng ta so sánh được các phương pháp
cập nhật vị trí thuê bao thông qua tổng hao phí báo hiệu, được định nghĩa là hao phí báo
hiệu nhắn tin tìm gọi và cập nhật vị trí thuê bao
Hình vẽ 3 cho thấy, phương pháp cập nhật theo thời gian, hao phí cập nhật là không
đổi theo tốc độ di chuyển của máy di động do nó cố định cập nhật vị trí theo chu kỳ thời
gian T Trong phương pháp cập nhật theo vùng và theo khoảng cách, hao phí cập nhật
thay đổi rất nhanh theo tốc độ di chuyển của thuê bao bởi vì khi tốc độ tăng thì đầu cuối
di động sẽ vượt quá các tham số D và Z Trong phương pháp đưa ra, hao phí cập nhật cao
0 20 40 60 80 100 120 140
2 10 20 30 40 50 60 70 80
Velocity(km/hr)
time-based distance-based zone-based proposed
Hình 3: Hao phí cập nhật vị trí thuê bao
Trang 7hơn hai phương pháp theo thời gian và theo khoảng cách và hao phí này không phụ thuộc
vào các thông số mô phỏng
4 Kết luận:
Qua kết quả so sánh trên, chúng ta thấy rằng phương pháp cập nhật vị trí theo vùng
hầu như không phụ thuộc vào đặc tính di động của thuê bao, còn phương pháp cập nhật
theo thời gian có nhược điểm là hao phí nhắn tin tìm gọi tăng rất nhanh khi tốc độ di
chuyển của thuê bao tăng Phương pháp cập nhật theo khoảng cách thì thích ứng ứng với
tốc độ di chuyển của thuê bao và chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ yêu cầu kết nối cuộc gọi Phương
pháp cập nhật theo thời gian thích nghi dùng logic mờ thì thích ứng rất tốt với tốc độ di
chuyển của thuê bao đồng thời điều chỉnh được thời gian cập nhật tuỳ thuộc vào khoảng
cách và tỷ lệ yêu cầu kết nối cuộc gọi
-
Tài liệu tham khảo:
[1] H.Xie,S.Tabbane and D.Goodman "A Dynamic Location Area Management and Performance Analysis," Proc.IEEE VTC93 ,pp536-539,May 1993
[2] Sadaatsu Okasaka et al "A new location updating ethod for digital cellular systems."IEEE VTC,1991
[3] “Lý Thuyết điều khiển mờ”, Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, NXB Khoa học
Kỹ thuật 1999
[4] “Hệ mờ và ứng dụng”, Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, NXB Khoa học Kỹ
thuật 1999
[5] Websites: www.fuzzytech.com; www.mathworks.com; www.IEEE.com
0
50
100
150
200
250
300
350
400
velocity(km/hr)
Hình 4: Hao phí nhắn tin tìm gọi Hình 5: Tổng hao phí
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
2 10 20 30 40 50 60 70 80
velocity(km/hr)
time-based distance-based zone-based proposed
