Nghiên cứu các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong hệ thống thông tin di động DS CDMA và w CDMA bằng logic mờ và CBR

Điểm mới trong ph ương pháp này phương pháp h ọc CBR được sử dụng đểgiám sát các điều kiện của mạng và để thay đổi mô hình phủ sóng mà không phảithực hiện các phép tính toán thực tế mỗi

Trong hệ thống mạng di động thế hệ thứ 3, việc sử dụng kỹ thuật CDMA (codedivision multiple access) s ẽ làm tăng dung lượng mạng và dễ dàng cung cấp cácdịch vụ với các tốc độ khác nhau Tuy nhi ên với việc tăng hiệu quả của mạngCDMA, tăng số người sử dụng và các dịch vụ tốc độ cao sẽ đ òi hỏi nhiều tài nguyên

vô tuyến hơn Điều này dẫn đến nhu cầu tăng dung l ượng hệ thống thông qua việcquản lý hiệu quả việc sử dụng phổ tần số bằng cách cung cấp phổ tần số vừa đủ

Đề tài này đề xuất việc ứng dụng các tác nhân thông minh để điều khiển tắcnghẽn trong hệ thống DS -CDMA/FRMA (direct-sequence code division multipleaccess/frame reservation multiple access) và W-CDMA (wideband code divisionmultiple access)

Trong hệ thống DS-CDMA/FRMA đề tài này sẽ đề xuất phương pháp điềukhiển chống tắc nghẽn cho hệ thống bằng kỹ thuật logic mờ v à mạng nơ ron Đề tài

sẽ tập trung xây dựng bộ điều khiển nghẽn mờ – nơ ron nhằm thay thế cho cácphương pháp điều khiển thông thường Đồng thời đánh giá hiệu quả hoạt động của

bộ điều khiển này nhờ phương pháp mô phỏng hệ thống Các kết quả thu đ ược sẽ sosánh với phương pháp thông thư ờng

Trong hệ thống W-CDMA, đề tài đề xuất phương pháp điều khiển tắc nghẽncho hệ thống: “ Sử dụng việc kết hợp các anten thông minh”

Trong phương pháp “ S ử dụng việc kết hợp các anten thông minh” các antenthông minh thay đổi mô hình phủ sóng để quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệthống Điểm mới trong ph ương pháp này phương pháp h ọc CBR được sử dụng đểgiám sát các điều kiện của mạng và để thay đổi mô hình phủ sóng mà không phảithực hiện các phép tính toán thực tế mỗi khi các điều khiển mạng thay đổi Bởi v ìphương pháp học được sử dụng, hệ thống có thể dự đoán sự thay đổi l ưu lượng củamạng, nếu nó thấy sự thay đổi khớp với kịch bản m à nó thấy trước đó, và vì vậy nó

có thể thay đổi trước mô hình phủ sóng để tránh nghẽn mạng Tuy nhi ên lợi ích lớnnhất của việc dự đoán l à nếu có một kịch bản khớp, kế đó số l ượng anten thay đổiđược rút ngắn, vì vậy giảm bớt được số lượng các handover bắt buộc v à như vậygiảm bớt lưu lượng tải trên mạng

Mục tiêu của luận văn:

Mục tiêu chính của đề tài là ứng dụng các tác nhân thông minh điều khiển tắcnghẽn trong hệ thống DS-CDMA/FRMA và W-CDMA

- Trong hệ thống thông tin di động trải phổ tế bào DS-CDMA thì đã có nhiềubài toán được đưa ra để cải thiện dung lượng hệ thống Đó là lớp các bài toán vềđiều khiển công suất, về chuyển giao v à các phương pháp tri ệt nhiễu đa ngườidùng, Như vậy đề tài này sẽ đề xuất phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn cho

hệ thống DS-CDMA/FRMA bằng kỹ thuật logic mờ v à mạng nơ ron cũng phục vụcho mục đích đó

CDMA Đồng thời sử dụng các bộ điều khiển mờ – nơ ron là sự lựa chọn tối ưu dochúng hội tụ đầy đủ những ưu điểm khi áp dụng cho hệ thố ng Luận văn sẽ tập trungxây dựng bộ điều khiển nghẽn mờ – nơ ron nhằm thay thế cho các ph ương phápđiều khiển thông thường.

- Trong hệ thống mạng W-CDMA ta tập trung xây dựng phương pháp điềukhiển tắc nghẽn cho hệ thống: “ Sử dụng việc kết hợp các anten thông minh”

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu việc sử dụng mô h ình CBR để tácđộng đến sự thay đổi mô hình lưu lượng trong hệ thống CDMA v à điều khiển sự kếthợp các mô hình phủ sóng của các anten thông minh để tối ưu hóa tài nguyên lưulượng đặc biệt khi nghẽn xuất hiện Các nghi ên cứu trước đây đã nghiên cứu sự kếthợp các anten thông minh bằng cách sử dụng các tính toán tổng quát để xác định các

mô hình tối ưu, trong khi mục đích của luận văn này ứng dụng các mô hình có sẵn

để sử dụng Để sử dụng các kinh nghiệm n ày, ta ứng dụng các kết quả đạt đ ượctrong đề tài “Intelligent Geographic Load Balancing for Mobile Cellular Networks ”của Lin Du

Trong luận văn này, các mô hình nghẽn và mô hình phủ sóng đáp ứng đượckết hợp để tạo ra thư viện trường hợp, nhằm để lưuu trữ các giải pháp hữu ích đạtđược trong quá khứ Ưu điểm của phương pháp này là các mô hình ph ủ sóng thìkhông phải tính toán, điều này có nghĩa là nó đáp ứng rất nhanh trong việc thay đổilưu lượng hệ thống

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng xây dựng bộ điều khiển nghẽn mờ – nơron để điều khiển tắc nghẽn cho hệ thống DS-CDMA

Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng bộ ứng dụng phương pháp học CBRquản lý sự kết hợp giữa các anten thông minh để l àm giảm tắc nghẽn trong W-CDMA

Phần thực nghiệm được cài đặt bằng ngôn ngữ lập trình dự kiến là Java hoặcMatlab và thử nghiệm trên máy tính

Nội dung nghiên cứu

Đề tài bao gồm các nội dung nghi ên cứu:

1 Tìm hiểu lý thuyết về mạng DS-CDMA, W-CDMA, lý thuyết vềanten thông minh

2 Tìm hiểu về lý thuyết điều k hiển mờ, mạng nơ ron và phươngpháp học CBR

3 Xây dựng bộ điều khiển nghẽn mờ – nơ ron cho hệ thống tích hợpthoại – dữ liệu DS-CDMA/FRMA

4 Xây dựng các phương pháp sử dụng CBR để thay đổi h ình dạng vàkích thước cell trong hệ thống mạng W -CDMA trong phương pháp “ S ử dụng việckết hợp các anten thông minh”

1 Tiếp cận lý thuyết phương pháp học CBR.

2 Tiếp cận lý thuyết mờ và mạng Neural

3 Phương pháp xây dựng bộ điều khiển nghẽn mờ – nơ ron cho hệthống tích hợp thoại – dữ liệu DS-CDMA/FRMA

4 Phương pháp Xây dựng các phương pháp sử dụng CBR để thay đổihình dạng và kích thước cell trong hệ thống mạng W -CDMA trong phương pháp “

Sử dụng việc kết hợp các anten thông minh”

Ý nghĩa đề tài

Đề tài mở ra một hướng nghiên cứu ứng dụng các nhân tố thông minh nhằmphát triển một bộ điều khiển nghẽn trong mạng DSCDMA v à W-CDMA Kết quảcủa đề tài có thể phát triển thành công cụ hỗ trợ cho việc điều khiển nghẽn cho cácmạng thông tin trong thực tế

Về cấu trúc, luận văn được chia như sau:

Phần 1: Lý thuyết tổng quan:

Chương 1: Thông tin di đ ộng tế bào và nguyên lý cơ bản CDMA : cung cấp

1 số kiến thức cơ bản về hệ thống thông tin di động và hệ thống CDMA

Chương 2 : Hệ thống thông tin di động trải phổ tế b ào DS-CDMA và CDMA : Trong chương này trình bày các vấn đề về hệ thống thông tin di động DS -CDMA và W-CDMA Dựa trên cơ sở các kiến thức về hệ thống n ày sẽ giúp choviệc giải quyết bài toán chống tắc nghẽn bằng các tác nhân thông minh (logicmờ,mạng nơ ron, CBR) là tối ưu nhất

W-Phần 2: Ứng dụng Logic mờ, Neural v à CBR điều khiển tắc nghẽn trong mạng DS-CDMA và W-CDMA

Chương 3 :Lý thuyết điều khiển mờ, mạng nơ ron,anten thông minh và CBR: Trong chương này tìm hiểu các khái niệm nhằm phục vụ quá tr ình xây dựng đượccác bộ điều khiển thông minh ứng dụng trong mạng viễn thông thay thế cho các bộđiều khiển truyền thống

Chương 4 : Xây dựng bộ điều khiển nghẽn hệ thống DS -CDMA/FRMA vàW-CDMA

Phần 3: Kết quả mô phỏng Kết luân v à hướng phát triển đề tài

Chương 5: Kết quả mô phỏng : Ch ương này đưa ra các k ết quả thu được khi

sử dụng bộ điều khiển nghẽn mờ – nơ ron

Chương 6 : Kết luận, đề xuất và hướng phát triển

Thông tin di động thế hệ thứ ba là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ diđộng truyền thông cá nhân đa ph ương tiện Đây thực sự là mạng băng rộng và cókhả năng truyền thông đa ph ương tiện, đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụngđến 2 Mbps Mạng này có khả năng cung cấp độ rộng băng tần theo y êu cầu Điềunày xuất phát từ việc thay đổi bit của các dịch vụ khác nhau, đảm bảo đ ường truyền

vô tuyến không đối xứng Đồng thời mạng có thể cung cấp thời gian truyền dẫn theoyêu cầu Nghĩa là đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video v àcác khả năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu Để đáp ứng đ ược các yêu cầu này,

hệ thống thông tin di động thế hệ hai đang dần đ ược chuyển đổi từng bước sang thế

hệ thứ ba

Trong hệ thống mạng di động thế hệ thứ 3, việc sử dụng kỹ thuật CDMA(code division multiple access) s ẽ làm tăng dung lượng mạng và dễ dàng cung cấpcác dịch vụ với các tốc độ khác nhau Tuy nhi ên với việc tăng hiệu quả của mạngCDMA, tăng số người sử dụng và các dịch vụ tốc độ cao sẽ đòi hỏi nhiều tài nguyên

vô tuyến hơn Điều này dẫn đến nhu cầu tăng dung l ượng hệ thống thông qua việcquản lý hiệu quả việc sử dụng phổ tần số bằng cách cung cấp phổ tần số vừa đủ

Đề tài này đề xuất việc ứng dụng các tá c nhân thông minh để điều khiển tắtnghẽn trong hệ thống DS -CDMA/FRMA (direct-sequence code division multipleaccess/frame reservation multiple access) và W-CDMA (wideband code divisionmultiple access)

Lời cám ơn i

Giới thiệu ii

Mục lục iii

Danh mục các chư õ viết tắt iv

Danh mục các hình vẽ v

MỞ ĐẦU 1

Phần 1: Lý thuyết tổng quan… … … 4

Chương 1: Tế bào thông tin di động và nguyên lý cơ bản CDMA 5

1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động tế bào 5

1.2 Sư ï phát triển hệ thống thông tin di động 6

1.3 Các kỹ thuật đa truy cập 8

1.4 Giới thiệu về CDMA… … … 10

1.5 Phân loại CDMA… … … … … … 11

Chương 2: Hệ thống thông tin di động DS-CDMA và W-CDMA 13

2.1 DS-CDMA 13

2.2 Hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3 (UMTS): 16

Phần 2: Ứng dụng Fuzzy logic,neural,CBR điều khiển tắc nghẽn trong DS-CDMA và W-DS-CDMA……… 22

Chương 3: Lý thuyết điều khiển mờ, mạng neural và CBR 23

3.1 Giới thiệu về Logic mờ 23

3.2 Mạng neural 28

3.3 Phư ơng pháp học CBR 32

Chương 4: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong DS-CDMA, W-CDMA 37

4.1 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển nghẽn sử dụng neural v à logic mờ cho mạng DS-CDMA 38

4.2 Phương pháp ứng dụng phương pháp học CBR để điều khiển tắt nghẽn trong W-CDMA 48

Chương 5: Kết quả mơ phỏng 58

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

Hình 1: Nguyên lý sử dụng lại tần số ……… 7

Hình 1.2: FDMA-Đa truy nhập phân chia theo tần số ………….……… 10

Hình 1.3: TDMA-Đa truy nhập phân chia theo thời ……… 10

Hình 4: CDMA-Đa truy nhập phân chia theo mã ……… …… 11

Hình 5: So sánh phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ ……… … 11

Hình 6: Phân loại CDMA ……… ……… 13

Hình 7: Hệ thống thông tin di động DS/CDMA ……… ….… 15

Hình 8: Kênh CDMA đường lên ……….……….16

Hình 9: Sơ đồ khối máy phát DS-CDMA……… .17

Hình 10: Tín hiệu trải phổ điều chế BPSK ……… ……….… 17

Hình 11: Máy thu tín hiệu DS-CDMA ……….… 18

Hình 12: Cấu trúc của hệ thống UMTS ……….… 19

Hình 13: Cấu trúc UTRAN……… 19

Hình 14:Tần số sử dụng lại trong GSM v à W-CDMA……… 20

Hình 15: Quá trình trải phổ……….… 21

Hình 16: Nguyên lý trải phổ……… ……….… 21

Hình 17: Công suất giao thoa trong cell ……….… 22

Hình 18: Cấu trúc một hệ mờ cơ bản……….…… 27

Hình 19 Xác định độ thỏa mã đầu vào ……….… 27

Hình 20: Mô hình CBR……… ……….………… 35

Hình 21 Hệ thống bộ nhớ chia sẻ ……….……… 37

Hình 22 : Cấu trúc bộ điều khiển nghẽn mờ – nơ ron……… 39

Hình 23– Cấu trúc khung trong giao thức FRMA ……… 40

Hình 24- Cấu trúc của mạng nơ ron RNN……… 42

Hình 25: Hai loại anten thông minh chính ……… 46

Hình 26: Vùng phủ sóng trong điều kiện b ình thường……… 49

Hình 27: Lưu đồ hệ thống……….……… 51

Hình 28: Lưu đồ giải thuật mô phỏng mạng W-CDMA………53

Hình 29: Mô hình mạng baogồm 100 cell hình lục giác Hình 30: Mô hình cell……….………54

Hình 33: So sánh giữa mô hình nghẽn và lưu lượng……… 56

Hình 34 : Hàm truy cập kênh cho hệ thống DS-CDMA/PRMA……… 58

Hình 35 Tỷ lệ mất gói khi sử dụng phương pháp fuzzy……….…60

Hình 36:Tỷ lệ mất gói thoại khi sử dụng ph ương pháp neural……… 61

Hình vẽ 37 Kết quả so sánh về tỷ lệ mất gói thoại giữa các ph ương pháp………62

Hình 38 Quan hệ giữa tỷ lệ sai hỏng khi tranh chấp v à số người dùng trong cell khi sử dụng phương pháp fuzzy……….……… 63

Hình 39 Quan hệ giữa tỷ lệ sai hỏng khi tranh chấp v à số người dùng trong cell khi sử dụng phương pháp neural……… ………….……… 64

Hình vẽ 40 So sánh tham số tỷ lệ sai hỏng giữa các ph ương pháp……… 65

Hình vẽ 41 Quan hệ giữa các giá trị trễ gói trung b ình và số người dùng trong cell khi sử dụng Fuzzy……….……… ………66

Hình vẽ 42 Quan hệ giữa các giá trị trễ gói trung bình và số người dùng trong cell khi sử dụng neural……… ………….……… 66

CBR Case-Based Reasoning

FDMA Frequency Division Multiple Access

ITU International Telecommunication Union

NPRA Network Provider Resource Agent

SLS Service Level Specification

TDMA Time Division Multiple Access

UMTS Universal Mobile Telecommunication Syste mW-CDMA Wideband Code Division Multiple Access

Communications System) đ ầu tiên được giới thiệu vào những năm 1980s Các hệ thống

thông tin vô tuyến thế hệ thứ nhất (1G) đ ã dựa trên kỹ thuật FM tương tự và được thiết

kế cho các dịch vụ thoại chuyển mạ ch mạch băng hẹp Các hệ thống thông tin vô tuyến

thế hệ thứ 2 (2G) như GSM (Global Systems for Mobile Telecommunications), PDC

(Personal Digital Cellular) và IS -95 (Interim Standard - 95) được giới thiệu vào những

năm 1990s đã chuyển sang sử dụng kỹ thuật số, tuy nhiên các hệ thống này vẫn chỉđược dùng cho các dịch vụ thoại và dữ liệu băng hẹp Các hệ thống 3G (nh ư IMT-2000,

UMTS) cũng dựa trên nền tảng kỹ thuật số, l ưu lượng trong các hệ thống n ày là sự kếthợp giữa thoại, dữ liệu hay các l ưu lượng đa truyền thông

1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG DI ĐỘNG TẾ B ÀO:

Ý tưởng thiết kế ban đầu của hệ thống thông tin di động l à dùng máy phát có

công suất lớn, anten được đặt trên tháp thật cao để có thể phủ sóng cho một v ùng rộnglớn Với hệ thống này có nhược điểm: hiệu suất thiết bị kém, lãng phí công suất, hiệuquả sử dụng tần số thấp, do đó muốn tăng dung l ượng hệ thống đòi hỏi phải tăng dải

tần Để khắc phục nhược điểm này, ta sử dụng các trạm phát có công suất nhỏ, anten

thấp hơn nên vùng phủ sóng sẽ nhỏ hơn Mỗi vùng phủ sóng nhỏ gọi là một tế bào(Cell) Mỗi cell có một trạm gốc (BTS) Nhiều cell kết hợp lại, ta có mạng tế b ào Các

BTS đều được điều khiển bởi trung tâm chuyển mạch điện thoại di động (MSC), các

MSC này được kết nối với các tổn g đài công cộng (PSTN) Hình 1 mô tả hệ thống

thông tin di động tế bào

Mỗi cell sẽ được gán một nhóm tần số Các cell kế cận nhau có các nhóm tần số

khác nhau để tránh nhiễu đồng kênh Mỗi một nhóm tần số đã được sử dụng ở cell này

có thể được sử dụng lại ở cell khác Đây l à kỹ thuật sử dụng lại tần số (Frequency

Reuse) Nhờ vậy mà dung lượng của hệ thống có thể đ ược tăng lên mà không cần tăngthêm dải tần Đây là lợi điểm mà các hệ thống thông tin di động hiện nay đa số đều sử

dụng

Hình 1: Nguyên lí sử dụng lại tần số.

Các đặc điểm của mạng tế b ào:

 Các cell thường có dạng lục giác để đ ơn giản hóa việc thiết kế, tính toán lý

thuyết, qui hoạch, quản lí v à phát triển mạng diện thoại di động Các BTS có

thể đặt ở tâm Cell (d ùng anten vô hướng) hoặc đặt ở góc 3 Cell kề nhau

(dùng các anten định hướng)

 Tần số đã được sử dụng ở Cell này được sử dụng ở Cell khác làm tăng hiệu

quả sử dụng tần số

 Khi MS di động từ Cell này qua Cell khác trong khi đang th ực hiện cuộc gọi

thì MSC sẽ thực hiện định tuyến lại cuộc gọi từ Cell c ũ sang Cell mới mà

không làm gián đoạn cuộc gọi Quá trình này gọi là chuyển vùng (Handoff)

 Khi nhu cầu trong một Cell tăng cao h ơn so với dung lượng tối đa thì đòi hỏi

sự chia Cell thành các Cell có kích thư ớc nhỏ hơn

 Trong mạng di động tế bào thì việc liên lạc giữa MS và BTS được thực hiện

thông qua các cặp tần số: một tần số h ướng lên (Uplink or Reverse link), m ộttần số hướng xuống (Downlink or Forward link) Đây l à phương pháp song

công phân chia theo tần số (FDD – Frequency Division Duplex)

1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG DI ĐỘNG

Thế hệ thứ nhất: hệ thống tế bào tương tự

 Hệ thống thông tin di động thứ nhất dựa tr ên kĩ thuật đa truy cập phân chia

theo tần số (FDMA – Frequency Division Multiple Access) và analog FM

 NTT – Nippon Telegraph and Telephone của Nhật.

 NMT-900 – Nordic Mobile Telephone của công ty Ericsion, Thụy Điển

 AMPS – Advanced Mobile Phone Service c ủa công ty AT&T, Mỹ

 TACS – Total Access Communication System,…

 Các hệ thống NTT, NMT, AMPS có tần số k ênh Uplink và Downlink cách

 Hệ thống thông tin di động thứ hai sử dụng kĩ thuật đa truy cập TDMA (Time

Division Multiple access) và CDMA (Code Division Multiple Access) H ệthống IS-95 CDMA có nhiều ưu điểm so với các hệ thống khác nh ư: dung

lượng cao, công suất thấp, có tính bảo mật cao…

Thế hệ hai cộng ( thế hệ 2.5):

 Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu

như HSCSD ( High Speed Circuit Switched Data), m ạng GPRS (GeneralPacket Radio Service)…

 Các dịch vụ bổ sung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiện tên người gọi, chuyển

giao cuộc gọi, dịch vụ cấm gọi mới…

 Cải thiện dịch vụ tin nhắn SMS (Short Message Service) nh ư móc nối các

SMS, mở rộng bảng chữ cái…

Thế hệ thứ ba: CDMA khẳng định ưu thế vượt trội so với các hệ thống khác.

 WARD-92 (The World Administrative Radio Conference held in 1992) dành

băng tần 18852025MHz và 21102200MHz cho mạng di động quốc tế IMT

-2000 (International Mobile Telecommunication -2000)

 Mạng băng rộng, có khả năng truyền thông đa ph ương tiện (tốc độ bit lên đến

2Mbit/s)

 Cung cấp các dịch vụ có tốc độ khác nhau

 Chất lượng dịch vụ cao, có khả năng sử dụng to àn cầu

 Các chuẩn cho 3G: CDMA-2000, W-CDMA UMTS TDD, W-CDMA UMTS

FDD, UWC136 (UMTSUniversal Mobile Communication System; UWC Universal Wireless Commmunication)

-Hiện nay, kĩ thuật mới MC -CDMA được đề xuất cho hệ thống di động thế hệ thứ

tư (4G) là sự kết hợp giữa OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) v à

CDMA

1.3 CÁC KĨ THUẬT ĐA TRUY NHẬP:

Trong mỗi Cell, một BTS liên lạc với nhiều MS, và vì thế qua kênh vô tuyến thì

MS có thể thiết lập và thực hiện kết nối với bất k ì MS nào khác Kĩ thuật phân chia vàphối hợp các kênh liên lạc cho các MS gọi là kĩ thuật đa truy nhập Sử dụng kĩ thuật đa

truy nhập sẽ tăng dung lượng hệ thống, giảm chi phí sử dụng cho mỗi user, dễ d àngquản lí, có thể triển khai hệ thống rộng h ơn…

Có 3 phương pháp truy nh ập chính là:

 FDMA-Frequency Division Multiple Access: Đa truy nh ập phân chia theo tần

số

 TDMA-Time Division Multiple Access: Đa truy nh ập phân chia theo thời gian

 CDMA-Code Division Multiple Access: Đa truy nh ập phân chia theo mã

1.3.1 FDMA-Đa truy nhập phân chia theo tần số:

Trong hệ thống FDMA, mỗi user đ ược cấp phát một kênh riêng gồm một cặp tần

số (một cho uplink, một cho downlink ) Điều này làm cho việc sử dụng phổ tần số có

giới hạn và kém hiệu quả nhất trong các ph ương pháp đa truy nh ập vì khi một kênhFDMA không thể chia sẻ với các user khác ngay cả khi nó không đ ược sử dụng

Hình 2: FDMA-Đa truy nhập phân chia theo tần số.

1.3.2 TDMA-Đa truy nhập phân chia theo thời gian:

Hình 3: TDMA-Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Phương pháp này cho phép nhi ều user chia sẻ một đoạn băng tần thay v ì ấn định

một băng tần chỉ cho một user TDMA chia thời gian th ành các khe thời gian và chia sẻkênh truyền giữa nhiều user bằng cách ấn định cho mỗi user một khe thời gian khác

nhau Do vậy mà TDMA chỉ có thể truyền cho tín hiệu số

1.3.3 CDMA-Đa truy nhập phân chia theo mã:

Trong CDMA thì các user đều sử dụng chung toàn phổ tần số của kênh truyền,cùng một thời điểm, cùng một thời gian mà chỉ phân biệt nhau bằng các m ã Chất lượngthông tin trong hệ thống CDMA sẽ giảm dần khi số l ượng user tăng dần (do BER tăng)

Hình 4: CDMA-Đa truy nhập phân chia theo mã.

Ngoài FDMA, TDMA và CDMA, OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing), một dạng đặc biệt của điều chế đa sóng mang, PDMA (Polarization

Division Multiple Access) và SDMA (Space Division Multiple Access) c ũng được

dùng như là mô hình đa truy nhập trong thông tin vô tuy ến

1.4 GIỚI THIỆU VỀ CDMA:

Hình 5: So sánh phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ

Trong CDMA, mỗi user được cấp một chuỗi mã duy nhất (mã trãi phổ) dùng để

mã hóa tín hiệu mang thông tin ở phía phát Tại phía thu, chuỗi m ã đã biết của user sẽ

giải mã tín hiệu thu được và khôi phục tín hiệu thông tin ban đầu Điều n ày thực hiện

được là do tương quan chéo gi ữa mã của user mong muốn v à mã của các user khác là

rất nhỏ Vì băng thông của tín hiệu sau khi trải phổ lớn h ơn rất nhiều so với băng thông

của tín hiệu mang thông tin, quá tr ình mở rộng phổ tín hiệu đ ược biết như là điều chếtrải phổ (hình 5)

Tín hiệu chưa trải

phổ

Tín hiệu đã trải

phổ

Sự trải phổ của tín hiệu phát l àm cho CDMA có khả năng đa truy nhập Do đó,

hiểu rõ kĩ thuật tạo ra tín hiệu trải phổ v à các thuộc tính của nó là rất quan trọng Kĩthuật trải phổ phải thỏa mãn đầy đủ các điều kiện sau:

hiệu thông tin

 Mã dùng để trải phổ thì độc lập với tín hiệu thông tin

Tại máy thu, quá trình nén phổ (despread) được thực hiện bởi sự t ương quan giữa tínhiệu

Tỉ số giữa băng thông truyền tr ên băng thông tín hiệu thông tin được gọi là độ lợi xử

lý Gpcủa hệ thống trải phổ

t p i

B G B

với B t là băng thông truyền, B i là băng thông tín hiệu thông tin

Tín hiệu trải phổ băng thông rộng có nhiều thuộc tính khác tín hiệu băng hẹp

như:

 Khả năng đa truy nhập: Nếu các user phát tín hiệu trải phổ c ùng một thời

điểm, máy thu vẫn có khả năng phân biệt các user m à được cấp những mã trải duy nhất

với tương quan chéo thấp Sự tương quan giữa tín hiệu thu được và mã trải của user

mong muốn thì chỉ nén phổ của tín hiệu của user đó trong khi các tín hiệu trải phổ khác

vẫn bị trải phổ ở băng rộng Do vậy, trong băng thông tín hiệu thông tin B ithì công suấtcủa user muốn thu sẽ lớn h ơn công suất gây ra nhiễu của các user khác, n ên tín hiệumong muốn được tách

 Bảo vệ chống nhiễu đa đ ường: Trong kênh truyền vô tuyến, có nhiều đường

truyền từ máy phát đến máy thu: đ ường trực xạ, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ…Tín hiệu

trên các đường khác nhau đều là bản sao của tín hiệu phát nh ưng khác nhau về biên độ,

pha, thời gian trễ, góc tới Khi cộng các tín hiệu n ày lại sẽ tạo nên một số tần số mới vàcũng làm mất các tần số khác Điều n ày dẫn đến trong miền thời gian, tín hiệu sẽ bị

phân tán Tuy nhiên, điều chế trải phổ có thể chống lại nhiễu đa đ ường phụ thuộc vào

các phương pháp điều chế được sử dụng

 Sự bí mật: Tín hiệu phát đi chỉ có thể nén phổ v à thu lại tín hiệu thông tin nếu

máy thu biết được chuỗi mã trải

 Loại bỏ nhiễu băng hẹp: Tại máy thu, chỉ có tín hiệu trải phổ được nén phổ

trong khi nhiễu giao thoa băng hẹp bị trải phổ tạo th ành nền nhiễu nhỏ so với tín hiệu đ ãnén phổ

 Xác suất phá hoại thấp (Low probability of interception): Vì m ật độ công suất

thấp, nên tín hiệu trải phổ khó bị phát h iện và phá bởi sự nghe lén thù địch

1.5 PHÂN LOẠI CDMA:

Có nhiều kĩ thuật để tạo tín hiệu trải phổ, sự phân loại tổng quát về CDMA đ ượccho trên hình 6

Hình 6: Phân loại CDMA

 DS-SS (Direct Sequence Spread-Spectrum): Tín hiệu mang thông tin được nhân

trực tiếp với chuỗi mã trải có tốc độ chip cao

 FH-SS (Frequency Hopping Spread -Spectrum): Tần số sóng mang mà tín hiệuthông tin được truyền thay đổi theo m ã trải

 TH-SS (Time Hopping Spread-Spectrum): Tín hiệu mang thông tin không đ ược

truyền một cách liên tục, thay vào đó chúng được truyền theo từng burst nhỏ m àthời gian của mỗi burst đ ược quyết định bởi mã trải

 Hybrid modulation: Hai hay nhi ều kĩ thuật trải phổ ở trên (DS, FH, TH) để kết

hợp các ưu điểm và hạn chế yếu điểm của nhau

 Ngoài ra, CDMA còn có thể kết hợp các phương pháp đa truy nhập khác như:TDMA, điều chế đa sóng mang (multicarrier), multitone MC -CDMA là trải phổ

trên trục tần số, còn MT-CDMA là trải phổ trên trục thời gian Cả MC -CDMA

và MT-CDMA đều dựa trên ghép kênh phân chia theo t ần số trực giao OFDM

CHƯƠNG 2 :

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TRẢI PHỔ TẾ BÀO

DS-CDMA VÀ W-DS-CDMA

2.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DS -CDMA:

Tương tự các hệ thống thông tin di động mặt đất, trong hệ thống thông tin di

động DS-CDMA, vùng phục vụ được chia thành các ô hình lục giác như hình vẽ 7 Mỗi

ô gồm có một tram gốc được kết nối với trung tâm chuyển mạch thoại di động (MTSO)

Trong mỗi ô, luôn luôn có hai k ênh truyền giữa máy di động v à trạm gốc, đó là kênh

đường lên và kênh đường xuống

Hình 7: Hệ thống thông tin di động DS/CDMA

Cấu hình của một trạm gốc bao gồm:

+ Kênh CDMA đường xuống là kênh truyền từ trạm gốc (BS) đến máy di động

+ Kênh CDMA đường lên là kênh truyền từ máy di động (MS) đến trạm gốc(BS)

Trong hệ thống thông tin di động DS-CDMA, kênh vô tuyến được dùng lại ở mỗicell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ m ã trải phổ giả

ngẫu nhiên Một kênh CDMA rộng 1,2288 MHz với hai dải bi ên phòng vệ là 0,27 MHz

Như vậy, mỗi một kênh CDMA chiếm khoảng băng thông là 1,77 MHz CDMA dùng

mã trải phổ có tốc độ chip l à 1,2288 MHz Dòng dữ liệu thông tin được mã hóa và điềuchế ở tốc độ chip này Tốc độ này chính là tốc độ mã đầu ra của máy phát PN

Để nén phổ trở lại tín hiệu gốc, th ì máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác

như khi tín hiệu được xử lý ở máy phát Nếu m ã PN ở máy thu khác hoặc không đồng

bộ với mã PN tương ứng ở máy phát thì tin tức truyền đi không thể đ ược thu nhận hay

hiểu được ở máy thu

BS BS

BS BS BS

BS BS

2.1.1 Kênh CDMA đường xuống.

2.1.1.1.Đặc điểm.

Kênh CDMA đường xuống chứa tất cả 64 k ênh mã Walsh, bao gồm các kênh sau :

Kênh hoa tiêu (Pilot), kênh đ ồng bộ, kênh nhắn tin (Paging) và kênh lưu lượng đường xuống Kênh CDMA đường xuống được phát ở độ rộng băng tần 1,23 MHz.

Thông tin này được mã hóa bởi một bộ mã xoắn Nếu tốc độ số liệu thấp h ơn 9600 bps

thì sẽ được ghép xen khối, được trải phổ hai pha bởi m ã PN dài sử dụng mặt nạ chắn

theo địa chỉ của người sử dụng, được điều chế hai pha bởi một h àm Walsh (có 64 chip

Walsh, tốc độ chip là 1,2288 Mcps), được trải phổ I và Q (bốn pha) bởi hai mã PN hoatiêu ngắn, được lọc và điều chế trên hai sóng mang vuông góc

Mỗi kênh mã 64 được xác định bởi một hàm Walsh Trực giao giữa 64 hàm Walsh

đảm bảo sự cách ly tốt nhất giữa nhiều tín hiệu đ ược phát đi từ trạm gốc, và các tín hiệu

ghép chung này có thể phân biệt được ở máy thu di động Tuy vậy, cần l ưu ý là ở kênh

CDMA đường xuống, chuỗi PN hoa ti êu được điều chế QPSK còn điều chế số liệu làđiều chế BPSK nhất quán

2.1.1.2 Cấu trúc kênh CDMA đường xuống.

Kênh CDMA đường xuống được chia làm 64 kênh bao gồm:

+ Một kênh hoa tiêu(Pilot)

+ Một kênh đồng bộ

+ Bảy kênh nhắn tin(Paging)

+ 55 kênh lưu lượng đường xuống

Trong một vài trường hợp thì người ta thay thế một kênh nhắn tin bằng một kênh

lưu lượng đường xuống, và như vậy dung lượng kênh CDMA đường xuống có thể đạt

cực đại là 62 kênh lưu lượng

2.1.2 Kênh CDMA đường lên:

2.1.2.1 Đặc điểm:

Kênh CDMA đường lên được máy di động sử dụng để trao đổi thông tin với trạm

gốc trong khi vẫn sử dụng chu ng một tần số với các máy di động khác bằng cách sử

dụng kỹ thuật trải phổ tr ước khi phát Trong trường hợp này, dữ liệu phát trên kênh

CDMA đường lên sẽ được đưa vào từng khung có độ dài là 20 ms Trong quá trình

truyền lên, số liệu của trạm di động đ ược mã hóa xoắn, lặp, ghép xen khối, m ã hóa trựcgiao bởi các hàm Walsh hai pha, điều chế hai pha bởi mã PN dịch pha làm địa chỉ cho

người sử dụng, trải phổ vuông góc(bốn pha) bởi cặp m ã PN ngắn làm địa chỉ cho ô vàđược điều chế ở hai sóng mang ở tần số trung tâm của kênh vô tuyến Tín hiệu phát

được trải phổ trên toàn bộ băng tần 1,23 MHz d ùng chung cho tất cả các máy di động

của hệ thống

Kênh CDMA đường lên bao gồm : Kênh thâm nhập (Access channel) v à kênh

lưu lượng đường lên Kênh thâm nhập được dùng cho việc tạo bản tin báo hiệu ngắn

nhằm mục đích thiết lập cuộc gọi, trả lời t ìm gọi, đăng ký và nhận thực Kênh lưu lượng

hướng lên thì được dùng để truyền thơng tin của ng ười dùng và báo hiệu từ một máy di

động đến một hay nhiều trạm gốc

2.1.2.1.Cấu trúc kênh CDMA hướng lên.

Kênh CDMA đường lên được chia làm hai loại là kênh thâm nhập và kênh lưu

lượng Sự phân bố các kênh này được biểu diễn ở hình vẽ 8

Hình 8: Kênh CDMA đường lên

Hình 9: Sơ đồ khối máy phát DS-CDMA.

Kênh hư ớng lên

Kênh truy nhập 2

Kênh truy nhập n

Kênh

lư u

lư ợng 2

Kênh

lư u

lư ợng m

Đánh địa chỉ bằng mã

PN dài

Hình 9 là sơ đồ máy phát DS-CDMA dùng điều chế BPSK Tín hiệu thông tin

sau khi nhân trực tiếp với mã trải thì được điều chế lên sóng mang RF rồi phát đi Tín

hiệu DS-CDMA phát đi được biểu diễn trên hình 10 Ở đây tốc độ chip gấp 10 lần tốc

độ tín hiệu thông tin

Hình 10: Tín hiệu trải phổ điều chế BPSK

Tại máy thu (hình 11), chuỗi mã nội được tạo ra để nén phổ tín hiệu trải phổ

Máy thu không những phải biết chuỗi mã mà tín hiệu thu được và mã nội phải được

đồng bộ Quá trình đồng bộ thực hiện từ khi mới bắt đầu nhận t ín hiệu và duy trì cho

đến khi toàn bộ tín hiệu thu hết Sau khi nén phổ, ta có tín hiệu đ ược điều chế, sau giải

điều chế tín hiệu gốc được khôi phục

Hình 11: Máy thu tín hiệu DS-CDMA

 TD-SCDMA ( Time Division Synchronous Code Division Multiple Access)

được phát triển bởi Siemens v à CATT của Trung Quốc

Trong đề tài này ta xem W-CDMA là chuẩn của Châu Âu

3G được thiết kế nhằm cung cấp tốc độ dữ liệu cao h ơn cho điện thoại vì vậy có thể

cung cấp các dịch vụ mới cho ng ười sử dụng

Các mục tiêu thiết kế chính cho hệ thống W -CDMA 3G có thể được tóm tắcnhu sau :

 Tốc độ toàn phần và di động là 144kbit/s, thích hợp hơn là 384 kbit/s

 Tốc độ toàn phần và di động gới hạn là 2Mbit/s

 Truyền dữ liệu đối xứng và bất đối xứng

 Hỗ trợ kết nối bằng chuyển mạch mạch v à chuyển mạch gói

 Có khả năng chuyển tải lưu lượng IP

 Có khả năng Roaming toàn cầu

 Có phổ băng thông cao hiệu quả so với các hệ thống có sẵn

 Có khả năng linh hoạt cao để tạo r a các dịch vụ mới

Trong mạng truy cập vô tuyến, kỹ thuật CDMA đ ược sử dụng để cho phép nhiều

thiết bị phức tạp truy cập v ào mạng UMTS trong cùng một cell

2.2.1 Cấu trúc UMTS:

Hình 12 thể hiện cấu trúc thường gặp nhất của hệ thống UMTS:

Hình 12: Cấu trúc của hệ thống UMTSCấu trúc UMTS bao gồm 3 phần chính:

 UE (User Equipment- thiết bị người sử dụng): các thiết bị đầu cuối của mạng3G bao gồm 2 phần riêng biệt: Thiết bị di động (ME) v à thiết bị nhận dạng

người sử dụng (USIM) Giao diện giữa USIM và ME gọi là Cu

 UTRAN (Universal Terr estrial Radio Access Network - Hệ thống truy cập vôtuyến mặt đất): Là hệ thống điều khiển truy cập vô tuyến băng rộng, W -CDMA Sóng mang truy c ập dùng cho thông tin trao đ ổi giữa UE và CN đượctạo ra và duy trì ở UTRAN UTRAN bao g ồm một chuỗi các hệ thống vô tuyếncon (RNS) kết nối với mạng lõi thông qua giao diện Iu Hình 13 thể hiện cấutrúc UTRAN.

tài nguyên truy cập cho các cell của nó Một node B thì đáp ứng việc truyền tín

hiệu trong một cell và nó được kết nối thông qua giao diện Iub Iu, Iub, Iur l à cácgiao diện cục bộ

 Mạng lõi (Core network-CN) bao gồm toàn bộ các thành phần cần thiếtcho chuyển mạch và điều khiển

2.2.2 Kỹ thuật truy cập trong UMTS (W-CDMA):

Trong mạng UMTS 3G, phương pháp truy cập vô tuyến là W-CDMA Ưu

điểm chính của W-CDMA so với TDMA sử dụng trong mạng 2G l à nó cung cấpdung lượng hệ thống lớn hơn và linh hoạt trong việc sử dụng giới hạn băng thông

Cụ thể hơn, với phương pháp trước đây, băng thông tối đa trong một cellphụ thuộc không chỉ v ào tổng băng thông được cấp trước mà còn phụ thuộc vào

mô hình sử dụng lại tần số Ví dụ, nếu mô h ình sử dụng lại tần số 7 cell đ ược sửdụng, băng thông tối đa có thể có trong một cell l à 1/7 băng thông tổng cộng nhưhình 14(a) trong khi b ăng thông tổng cộng có thể sử dụng lại trong mỗi cell cho

UMTS khi sử dụng kỹ thuật W-CDMA thì được thể hiện như hình 14 (b)

Hình 14:Tần số sử dụng lại trong GSM và W-CDMATrong W-CDMA, việc sử dụng kỹ thuật trải phổ cung cấp việc chia sẻ tài

nguyên, như thể hiện ở hình 15 Mỗi user sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ v à tín

hiệu tin nhắn thì trải rộng trên toàn băng tần bằng cách nhân nó với một tín hiệutrải phổ ngẫu nhiên Để giải điều chế, tín hiệu ở phía nhận được tương quan chéo

với một hàm trải phổ mẫu phân biệt với các user khác v à nhiễu

Hình 15: Quá trình trải phổVới một mã duy nhất duy nhất được gán cho mỗi user, tất cả các user cóthể tồn tại chung ngay cả khi chúng sử cụng chung tần số H ình 16 chỉ ra cách màtín hiệu từ các user khác đ ược điều chế và truyền đi trung cùng một thời gian vàcùng 1 tần số và cách chúng được khôi phục lại

Hình 16: Nguyên lý trải phổ

Như kết quả cho thấy, tất cả các cell sử dụng chung băng tần số v à mỗi cell đều có

dung lượng lớn nhất Vì vậy hiệu quả sử dụng tần số ở đây l à 1 Ở khía cạnh khác,

việc xác định dung lượng hệ thống thì khá phức tạp Hệ thống được xem như làmột hệ thống dung lượng mềm bởi vì số user không chỉ bị giới hạn bởi tổng công

suất nhiễu gây ra bởi các hệ thống khác v à nhiễ, mà còn phụ thuộc vào sự phân bố

địa lý của các user, vì vậy việc xác định dung lượng thì phức tạp

Tổng công suất giao thoa=tổng công suất trong cell+tổng c ông suấtcác cell lận cận gây ra

Hình 17: Công suất giao thoa trong cell

2.2.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến trong UMTS:

Thông thường nhiệm vụ của quản lý t ài nguyên vô tuyến trong UMTS là

cực đại dung lượng hệ thống và thường thực hiện ở các lĩnh vực:

 Điều khiển công suất

 Điều khiển handover

 Điều khiển kết nối

 Điều khiển tải (điều khiển tắc nghẽn)

 Hoạch định gói

Mỗi khía cạnh trên sẽ được xem xét kỹ ở phần sau

2.2.3.1 Điều khiển công suất:

Điều khiển công suất l à thiết yếu trong các hệ thống CDMA vì sự

va chạm đến từ các thiết bị đầu cuối khác nhau Điều đó có nghĩa là cácthiết bị gần trạm phát gốc cần thông báo để phát cong suất thấp h ơn cácthiết bị xa hơn để giảm bớt sự va chạm n ày Điều khiển công suất l à

phương pháp mà giúp cho thi ết bị đầu cuối điều chỉnh công suất m à chúng

truyền và đảm bảo rằng công suất truyền trong mạng l à cực đại

Có 3 loại điều khiển công suất đ ược sử dụng trong W-CDMA: điềukhiển công suất vòng mở, điều khiển công suất v òng mở rộng, điều khiển

công suất đóng

lập một kết nối mới nó phải công suất đầu ti ên để sử dụng Nó thực hiện

điều này bằng cách đo độ lớn của tín hiệu nhận đ ược và kế đó ước lượng

độ mất mát tính hiệu giữa trạm gốc v à thiết bị Điều này rất không chính

xác

mục tiêu cho điều khiển công suất đóng

công suất chính xác cần thiết để tối ưu hóa mức độ va chạm để đạt ngưỡngSIR cần thiết được thiết lập bởi điều khiển công suất v òng mở rộng

2.2.3.2 Chuyển giao (Handover):

Khi thiết bị đẩu cuối di chuyển giữa 2 cell, kết nối phải đ ượcchuyển sang cho cell mới Có một quá tr ình sử lý tiêu chuẩn trong kỹ thuật

mạng thông tinh tế bào, nhưng CDMA cho phép m ột phương thức chuyểngiao khác gọi là chuyển giao mềm

 Chuyển giao cứng: Kết nối hiện tại sẽ bị hủy v à thiết lập kết nối với

cell mới Phương pháp này giống với mạng GSM khi 2 cell sử dụngtần số khác nhau

 Chuyển giao mềm:Tất cả các cell Trong mạng CDMA sử dụng c ùng

tần số vì vậy nó có thể thực hiện kết nối với cell mới tr ước khi thoátkhỏi kết nối cũ Điều này làm tăng công suất của thiết bị đầu cuối

mà không tăng công su ất trạm phát gốc Đây l à một thuận lợi vì nó

sẽ giảm sự va chạm về công suất v à vì vậy sẽ làm tăng dung lượng

2.2.3.3 Điều khiển kết nối:

Điều khiển kết nối là xác định sự chứng thực trạm phát gốc Để

một kết nối được thiết lập Để thiết lập một kết nối mới, trạm phát gốc phải

có dung lượng trống cho một kết mới Sự tính toán dung l ượng này phảiđược tính toán riêng cho đường lên và đường xuống, và kết nối chỉ được

thiết lập khi thỏa mãn cả 2 điều kiện

2.2.3.4 Điều khiển tắc nghẽn:

Khi mạng bắt đầu xảy ra nghẽn, cần phải có h ành động cần thiết đểgiảm bớt nghẽn Một vài phương pháp để kiểm soát nghẽn :

 Từ chối yêu cầu tăng công suất cho đường xuống

 Giảm ngưỡng SIR cho việc điều khiển công suất cho đ ường lên

 Giảm tốc độ bit cho các user thời gian thực

 Giảm bớt lưu lượng góiTrong đề tài này, ta sẽ nghiên cứu một phương pháp mới: thay đổi vùng phủ sóng

của anten để tối ưu vùng phủ sóng chung của các anten v ì vậy làm giảm tắc nghẽn

CHƯƠNG 3:

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ ,MẠNG NƠ RON VÀ CBR

3.1.Giới thiệu về Logic mờ :

3.1.1 Khái niệm về Logic mờ:

Logic mờ là phương pháp suy diễn giựa trên cơ sở lý thuyết tập mờ Từ khi ra

đời tới nay, logic mờ đ ã giải quyết được một cách hiệu quả nhiề u bài toán phức tạp

trong các lĩnh vực khác nhau, nhất l à các ứng dụng trong điều khiển v à xử lý thôngtin Logic mờ giúp đưa ra các thao tác, các th ủ thuật rất đơn giản để giải quyết các

vấn đề phức tạp, đưa ra các kết luận chính xác từ các thông tin khôn g rõ ràng, không

chính xác và mơ hồ Suy luận của logic mờ t ương tự như việc suy luận và đưa ra các

quyết định của con người, nó mang tính “trí tuệ nhân tạo” khi xử lý dữ liệu và tìm ra

các giải pháp chính xác

Nếu như ở logic kinh điển, sự suy diễn đ òi hỏi chúng ta phải hiểu sâu về hệ thống,

biết chính xác từng ph ương trình toán học, hiểu rõ từng giá trị cụ thể thì suy diễntrong Logic mờ là sự kết hợp của hai hay nhiều cách nghĩ của t ư duy logic Điều nàycho phép chúng ta có th ể đưa ra các hệ thống phức tạp trên cơ sở sử dụng tư duy trừu

tượng cấp cao hơn từ kinh nghiệm và kiến thức của chúng ta Ngo ài ra, với Logic

mờ, chúng ta còn có thể diễn tả các khái niệm thực thể trừu t ượng như rất nóng, rất

lạnh, hay một khoảng thời gian d ài nào đó,… dưới dạng những dãy số chính xác của

toán học kinh điển

3.1.2 Logic mờ trong Viễn thông.

Mặc dù Logic mờ chỉ mới được ứng dụng trong một v ài lĩnh vực của viễn

thông, nhưng nó lại cho thấy ưu điểm của mình khi khắc phục được các nhược điểm

của các phương pháp thông thường Ứng dụng nổi bật nhất l à trong hệ thống địnhtuyến toàn cầu, định tuyến nội hạt, điều khiển xử lý cuộc gọi, điều khiển các thông số

của mạng đa dịch vụ băng rộng ISDN, v à một số bài toán phức tạp trong hệ thống

thông tin di động DS-CDMA Dưới đây là một số ứng dụng điển hình của logic mờ

trong viễn thông

3.1.3 Ứng dụng trong Hệ thống định tuyến to àn cầu.

Ở phương pháp định tuyến thông thường, để có thể tìm ra đường ngắn nhất thì

phải dựa vào thông tin về cấu hình mạng, tùy thuộc vào ma trận đường đi và tảitrọng của mỗi đường truyền trên mạng Khi ấy, thuật toán t ìm đoạn đường ngắnnhất được dùng để tính đọan ngắn nhất từ nút nguồn đến một nút bất kỳ trong mạng

Trong tất cả các phương pháp tìm đường ngắn nhất nói chung chỉ có một thông số

được sử dụng như là thông tin định tuyến Còn các thuật toán định tuyến khác th ì

phải dùng các tham số khác như trễ truyền dẫn,… Tuy vậy, việc quyết định định

tuyến chỉ dựa vào một trong các tham số n ày mà thôi, vì vậy lưu lượng mạng không

được sử dụng tối ưu Chính vì vậy mà Logic mờ đã được đưa vào sử dụng cho mục

đích này

Logic mờ có thể sử dụng tám thông số m à chúng ta có thể chọn để định tuyến coi

như là đầu vào của hệ thống điều khiển mờ, gồm có : dung lượng đường truyền, giá

thành truyền dẫn, thời gian truyền, trễ truyền dẫn, l ượng thay đổi của trễ truyền

dẫn, độ tin cậy của đường truyền, độ tin cậy của nút mạng, v à độ tin cậy của gói tin.

Trong các thông số này, thì ba thông số đầu nói đến giá thành, hai thông số tiếp theo

là tượng trưng cho độ trễ đường truyền, và ba tham số cuối cùng thì đại diện cho độ

tin cậy của đường truyền

Quá trình mô phỏng cho thấy rằng, sử dụng hệ mờ đ ã cải thiện rất nhiều quá

trình định tuyến Đặc biệt, các đ ường truyền xấu (bad links) đ ã được khắc phục khi

sử dụng định tuyến mờ Có kết quả n ày là do bản thân bộ định tuyến mờ đ ã có nhiềuhiểu biết hơn về mạng Đây chính là một trong những ưu điểm chính của thuật toán

định tuyến mờ Một hệ thống mờ có thể hoạt động dễ d àng với hơn một tham số đầu

vào Việc thiết kế và sử dụng bộ điều khiển mờ cũng nh ư thay đổi cấu hình mạng cóthể thực hiện khá đơn giản bởi vì một hệ thống mờ được thiết kế tốt thì dễ hiểu hơnmột hệ thống thông th ường với vô số các công thức tính toán H ơn nữa, định tuyến

mờ có thể dễ dàng thích nghi với sự thay đổi điều kiện môi tr ường trên mạng

3.2.2 Trình tự thiết kế mạng neuron ứng dụng :

Mạng neuron là một công cụ tốt cho phép xấp xỉ lớp t ương đối rộng quan

hệ phụ thuộc hàm giữa các tín hiệu ra Y và tín hiệu vào X của một hệ thống nào

đó Điểm mạnh của mạng neuron l à khả năng thích nghi khi tập dữ liệu mẫu

{[x,d]} được cập nhật thường xuyên Khác với các cách tiếp cận truyền thống (

nội suy, ngoại suy, hồi qui ) l à giả thiết một mô hình hay một hàm tường minh

có quan hệ giữa biến ra và biến vào, mạng neuron tích luỹ các tri thức của nó về

tập mẫu trong các trọng số li ên kết neuron, các thông số về cấu trúc mạng hoặc

thậm chí trong các ngưỡng kích hoạt tại các neuron

Quá trình thiết kế mạng neuron thường trải qua các bước sau :

Bước 1 : Xác định bài toànBước 2 : xác định các biến v ào ra

Bước 3 : thu thập dự liệuBước 4 : tiền xử lý dữ liệuBước 5 : lựa chọn mô hình mạng neuronBước 6 : huấn luyện mạng

3.2.3 Xác định bài toán

Mạng neuron thường rỏ ra hiệu quả khi giải các bài toán :

Phân lớp dữ liệu : cho mô tả đối tượng, cần phân loại chúng th ành các lớp sao

cho tất cả đối tượng trong một lớp có c ùng một số đặc tính nào đó

Nhận dạng : xác định sự phụ thuộc giữa các giá trị đầu v ào, đảm bảo nguyên

tắc một thay đổi nhỏ của tín hiệu v ào chỉ gây ra những sai số nhỏ đối với tín

hiệu ra Các bài toàn này bao gồm dự báo giá cả, thời tiết, thị tr ường

Biến đổi không gian biểu diễn : Biến đổi các biểu diễn đối t ượng từ không gian

nhiều chiều sang không gian có số chiều nhỏ hơn

Đối với các dữ liệu biến động kiểu chuỗi thời gian th ì cần đảm bảo trình

tự các sự kiện sao cho tạo ra những thông tin cốt l õi về đối tượng

Đối với các dữ liệu ngẫu nhi ên có dạng hoàn toàn độc lập nhau thì phải

- Dữ liệu được thu gọn trong không gian biểu diễn đầu v ào

3.2.3.4 Lựa chọn mô hình Neuron

Tùy thuộc vào bản chất xử lý dữ liệu của b ài toán mà ta lựa chọn mô hìnhmạng neuron phù hợp

Cấu trúc mạng đa lớp không t ùy thuộc vào bài toán một cách hoàn toàn

Số ngõ vào của mạng cũng như số neuron trong lớp ngõ ra do bài toán qui

định Tuy nhiên số lớp ẩn vào kích thước của các lớp ẩn do ng ười thiết kế

chọn

3.2.3.5.Huấn luyện mạng :

Các thao tác cần thực hiện bao gồm :

- Phân dữ liệu mẫu thành 3 tập con : tập mẫu học, tập kiểm soát (

để xác định khi nào dừng quá trình học ) và tập kiểm thử ( để

kiểm tra khả năng đoán nhận, dự đoán mạng ) Trong đó, tập mậuhọc phải mang tính đại diện, c òn tập kiểm thử gắn với dáng điệuthực của môi trường đang xem xét

- Xác định luật học

huấn luyện

- Khởi tạo các tham số

 Các loại mạng khác nhau tương ứng có các tham số khácnhau

 Các trọng số, tham số ban đầu xác định ngẫu nhi ên haytheo kinh nghiệm

trường hợp mạng tuy đã huấn luyện tốt nhưng cho kết quả không đáp ứng

yêu cầu với các dữ liệu kiểm thử ( gọi l à hiện tượng học quá nhiều ) th ìtiến hành :

- Tăng số dữ liệu mẫu và huấn luyện lại mạng

Xem xét lại tập dự liệu mẫu với sự t ư vấn của chuyên gia

3.3 PHƯƠNG PHÁP HỌC CBR (CASE-BASED REASONING):

Phương pháp học CBR là phương pháp học thông minh nhân tạo cho phép các

tác nhân học những thành công quá khứ CBR là phương pháp tìm giải pháp cho vấn

đề mới bằng cách phân tích các vấn đề đ ã được giải quyết trước đó, gọi là các tình

huống, hay là dựa trên giải pháp cũ để đề ra giải pháp mới Ở đây ta thấy CBR d ường

như là phương pháp kh ả dĩ nhất mà các giải pháp về lưu lượng có thể áp dụng Bởi v ì

nó có thể giải quyết vấn đề với thời gian ít h ơn, hiệu quả cao hơn khi nó đã có kiếnthức về các giải pháp th ành công trước đó

Áp dụng CBR làm tác nhân điều khiển trong CBR là điều hoàn toàn mới mẻ và

sẽ được nghiên cứu kỹ trong đề tài này

Tất cả các phương pháp học trước đây được xem là học có giám sát khi các kiến

thức và ví dụ của phương pháp giải quyết vấn đề thì cần thiết ở các mức độ khác

nhau ứng với các kỹ thuật khác nhau Trong khi với ph ương pháp học không giámsát, giải pháp học tăng cường thì được xem xét Phương pháp học tăng cường thì tậptrung cho mục đích học trực tiếp bằng cách tác động lẫn nhau trong một môi tr ường

động Nhân tố chính trong ph ương pháp này là thử nghiệm và tìm ra lỗi Trong luậnvăn này, phương pháp h ọc CBR là phương pháp khả dĩ nhất bởi vì nó giải quyết vấn

đề nhanh và hiệu quả khi nó đã có các giải pháp giải quyết thành công vấn đề trongthư viện tình huống

3.2.1.1 Mô hình xử lý CBR:

Hình 20: Mô hình CBRHình 19 thể hiện mô hình xử lý của CBR Nó bắt đầu khi có một vấn đề mới hay

tình huống mới xảy ra Có 4 b ước chính: phục hồi lại t ình huống, sử dụng lại tìnhhuống, xem xét lại tình huống và ghi nhớ tình huống

 Phục hồi lại tình huống là bước đầu tiên trong mô hình xử lý CBR Trong

giai đoạn này, nhiệm vụ chính là tìm tình huống phù hợp nhất (match) trong c ơ sở

dữ liệu các tình huống cho tình huống mới xảy ra Quá tr ình xử lý bao gồm nhận

dạng các đặc trưng của tình huống mới, tìm kiếm tình huống gần giống nhất v àchọn cái tốt nhất Kết quả lý t ưởng nhất là tìm được tình huống phù hợp hoàntoàn với tình huống mới nhưng điều đó hầu như không thể xảy ra

 Sử dụng lại tình huống: là sự đánh giá về tình huống phục hồi khác với

được tái sử dụng: toàn bộ giải pháp hay chỉ l à phương pháp để xây dựng giải

pháp Nếu tình huống mới trùng hợp với tình huống phục hồi, giải pháp có thể

được sử dụng mà không cần thay đổi Trong thực tế, tình huống như thế rất ít xảy

ra vì vậy giải pháp có thể cần đ ược thay đổi để phù hợp với tình huống mới và

điều này dẫn tới bước tiếp theo: xem xét lại t ình huống

 Xem xét lại tình huống bao gồm 2 quá trình xử lý phụ thuộc sự đánh giá

từ quá trình sử dụng lại tình huống:

 Với một kết quả thành công, hệ thống sẽ học từ thành công được trìnhbày ở bước kế tiếp (ghi nhớ tình huống)

 Mặt khác, một quá trình giám sát xử lý sẽ phân tích những thất bại v àgiải pháp sẽ được sửa đổi cho phù hợp bằng cách sử dụng kiến thức

đặc biệt từ hệ thống

 Ghi nhớ lại tình huống là một phần quan trọng của việc học khi hệ thống

cần lưu trữ những gì nó đã học từ việc so sánh thành công các tình huống phùhợp để sử dụng trong t ương lai Một trong những phần quan trọng nhất l à lưulại tình huống mới vào trong thư viện bởi vì nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá

trình sử lý trong tương lai

3.1.2 Các thuật toán tình huống và phục hồi:

Thông thường, tình huống bao gồm 2 đặc tính: (i) mô tả vấn đề cần đ ược

giải quyết và (ii) mô tả phương pháp giải quyết vấn đề đó Một trong những khía

cạnh quan trọng ảnh h ưởng đến việc thực thi CBR l à phải chắc chắn rằng tìnhhuống khả dĩ nhất sẽ đ ược áp dụng Do đó điều quan trọng nhất l à cách tra cứu

thư viện tình huống và sau đó là áp dụng tình huống khả dĩ nhất

Có nhiều cấu trúc và thuật toán dò tìm tình huống sẽ được trình bày ngay

sau đây Việc lựa chọn thuật toán v à cấu trúc sao cho phù hợp thì phụ thuộc vào

số tình huống trong thư viện, độ phức tạp của cấu trúc th ư viện, số tình huống

khác nhau mà thư viện phải hỗ trợ,và sự khác nhau về cấu trúc của th ư viện

Có nhiều cấu trúc và thuật toán để mô tả tình huống:

 Bộ nhớ phẳng, công cụ tìm kiếm tuần tự: tình huống đơn giản làđược lưu trong thư viện theo tuần tự và không có bất kỳ sự tổ chức

nào; khi phục hồi, mỗi tình huống sẽ được so sánh tuần tự trong h àng

và mức độ phù hợp sẽ được tính toán Cuối cùng là tình huống nàophù hợp nhất sẽ được lựa chọn Lợi ích của phương pháp này là:

 Tình huống mới sẽ được thêm thư viện dễ dàng

 Bằng cách tìm kiếm toàn bộ thư viện, thì việc lựa chọn tìnhhuống có độ chính xác khá cao

Nhược điểm của phương pháp này là thời gian xử lý khá lâu đặc

biệt với các thư viện tình huống lớn

 Hệ thống bộ nhớ chia sẻ, công cụ t ìm kiếm theo thứ tự ưu tiên:cấu

trúc này thì thích hợp cho cơ sở dữ liệu tình huống lớn khi các tìnhhuống sẽ được tổ chức theo thứ tự ưu tiên Các tình huống có chung

các đặc trưng sẽ được phân thành từng cụm Bên trong các cụm cònđược chia thành các cụm nhỏ hơn

Hình 21 Hệ thống bộ nhớ chia sẻCông cụ tìm theo thứ tự ưu tiên được sử dụng cho loại cấu trúc n ày

vì nó sẽ bắt đầu tìm mức cao nhất trên đồ thị và tiếp tục cho đến mứcthấp nhất chỉ trong các nhóm v à nhóm nhỏ hơn mà có đặc trưng phù hợpvới tình huống đang xem xét Sử dụng phương pháp này thì chỉ có cácnhóm có liên quan mới được tìm kiếm Ưu điểm chính của phương phápnày là thời gian xử lý nhanh Tuy nhi ên để thêm 1 tình huống mới vào

thư viện thì khá khó khăn vì nó cần được đặt đúng vị trí trong th ư viện

 Bộ nhớ phẳng và công cụ tìm kiếm song song: Phương pháp này

giống như phương pháp trên ch ỉ khác là công cụ tìm kiếm được thựchiện song song có nghĩa l à toàn bộ thư viện sẽ được tìm kiếm trongcùng một thời điểm

 Bộ nhớ có thứ bậc và công cụ tìm kiếm song song:sự kết hợp này

cho ra nhiều ưu điểm từ bộ nhớ có thứ bậc v à công cụ tìm kiếm songsong: nó tiết kiệm thời gian, tạo ra nó các t ình huống nhỏ hơn để tìmkiếm

CHƯƠNG 4:

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮT NGHẼN TRONG

DS-CDMA VÀ W-CDMA

4.1 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển nghẽn sử dụng kỹ thuật mạng Nơ

ron và logic mờ cho mạng DS-CDMA/FRMA:

Đề tài này sẽ tập trung vào bài toán giải quyết tắc nghẽn cho hệ thống tế bào

DS-CDMA bằng logic mờ Đây là một hướng đề xuất giải pháp mới cho hệ thống để cải

thiện những nhược điểm của các phương pháp thông thường đang sử dụng Dưới đây

sẽ điểm qua một vài nét về vấn đề này

Như đã biết, hệ thống tế bào thế hệ thứ ba có khả năng cung cấp các dịch vụ đa

truyền thông, dịch vụ băng rộng và rất linh động trong quản lý nguồn t ài nguyên vôtuyến Hệ thống đa truy nhập theo m ã trải phổ trực tiếp DS-CDMA là một sự lựachọn tốt để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ, khả năng mền hoá v à phân tập tần số kếthợp chống nhiễu đa đường, Một đặc tính của DS-CDMA là sử dụng các mã khácnhau cho các bản tin của người dùng có thể được truyền dẫn tại cùng thời điểm Tuynhiên khi số lượng truyền dẫn của người sử dụng trở lên cao, tắc nghẽn sẽ xuất hiện

và các bản tin có thể bị gián đoạn do xuy ên nhiễu đa truy cập Giao thức DS CDMA/PRMA đã được đưa ra để giải quyết vấn đề nghẽn Tuy nhi ên nó chọn xácsuất cho phép truyền dẫn bằng hoạt động k ênh tuyến tính theo từng mẫu, và nó sửdụng phương trình động học đơn giản để cải thiện xác suất cho phép DS -CDMA/PRMA cho phép nhiều người sử dụng tranh chấp và nhiều người sử dụngđịnh trước trong mỗi khe thời gian Điều n ày sẽ làm tăng xác suất sai hỏng cho những

-người sử dụng trước do không biết phương sai về tải của nhiều -người sử dụng tranhchấp

Như vậy ở đây sẽ đưa ra giao thức DS-CDMA/FRMA và điều khiển tắc nghẽn

bằng logic mờ để thực hiện chỉ ti êu cho CDMA Vấn đề đặt ra ở đây là điều chỉnhlưu lượng tới bằng việc xác định thích hợp xác suất cho phép tr uyền dẫn cho người

sử dụng tranh chấp thoại và dữ liệu Trong DS-CDMA/FRMA nhiều người sử dụngtranh chấp và nhiều người sử dụng định trước là hoàn toàn tách biệt để sử dụng cáckhe thời gian khác nhau, và vì vậy khi lưu lượng của người tranh chấp thay đổi mạnh

sẽ không thể nào đảm bảo sự trong suốt khi truyền dẫn của ng ười sử dụng định trước.Trong phương pháp điều khiển tắc nghẽn bằng logic mờ, lý thuyết mờ v à kỹ thuậtmạng nơ ron được ứng dụng để xác định xác suất cho phép từ đó điều chỉnh nhiều

người dùng tranh chấp theo sự ước đoán về nhiễu và chỉ dẫn về chỉ tiêu chất lượng.Phần chủ yếu của bộ điều khiển tắc nghẽn d ùng mờ thì bao gồm có bộ dự đoán nhiễu,

bộ chỉ dẫn chất lượng bằng mờ và bộ điều khiển xác suất cho phép bằng mờ Ph ươngpháp này có thể làm giảm được tắc nghẽn, tối thiểu được can nhiễu đa truy nhập vàtránh được tình trạng quá tải Đặc biệt chúng ta có thể cải tiến đ ược chất lượng của hệthống DS-CDMA khi dùng các bộ điều khiển nghẽn bằng mờ nếu so sánh với hoạt

động truy cập kênh thông thường Phương pháp này là thích hợp hơn trong trườnghợp tải thay đổi và có thể hạ thấp hơn về tỷ lệ sai hỏng và mất các gói tin

4.1.1 Thiết kế bộ điều khiển nghẽn mờ – nơ ron cho mạng thơng tin

di động tế bào tích hợp thoại và dữ liệu DS-CDMA/FRMA.

Trong phần này sẽ đưa ra phương pháp thiết kế bộ điều khiển nghẽn sử dụng

kỹ thuật mạng nơ ron và logic mờ cho mạng thơng tin di động tế b ào trải phổtrực tiếp khi sử dụng giao thức đa truy nhập dự ph ịng khung (DS-CDMA/FRMA) Bộ điều khiển nghẽn này được tạo thành bởi một mạng nơ ronhồi quy tuyến tính (PRNN) làm nhiệm vụ dự đốn nhiễu, một bộ chỉ dẫn chỉ ti êu

mờ, và một bộ điều khiển xác suất truy cập mờ Bộ điều khiển n ày sẽ điều chỉnh

lưu lượng tới mạng tích hợp thoại dữ liệu DS -CDMA/FRMA bằng việc xác địnhxác suất truy cập thích hợp cho người dùng để tắc nghẽn cĩ thể tránh được và tảicủa hệ thống là cực đại

4.1.1.1 Mơ hình hệ thống:

Mơ hình hệ thống thơng tin di động trải phổ tế b ào DS-CDMA/FRMAvới bộ điều khiển nghẽn mờ – nơ ron được trình bày như hình vẽ 22 Bộ điềukhiển nghẽn bao gồm một bộ dự đốn nhiễu PRNN, bộ chỉ dẫn chỉ ti êu mờ, và

bộ điều khiển xác suất mờ

Hình 22 : Cấu trúc bộ điều khiển nghẽn mờ – nơ ron

Hệ thống tế bào giả sử cĩ K cell, trong đĩ mỗi cell bao gồm một băng l ên và băng



A(n)

آ S (n+1)

MẠNG NEURAL DỰ ĐOÁN NHIỄU

BỘ CHỈ DẪN CHỈ TIÊU MỜ

BỘ ĐIỀU KHIỂ N XÁC SUẤ T TRUY CẬP MỜ

L V (n)

R C (n)

D D (n) U(n)

PV(n+1) PD(n+1)

I S (n)