Ứng dụng Logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển thâm nhập cuộc gọi trong hệ thống thông tin di động CDMA

Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o

TRƯỜNG ðẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VÕ TRƯỜNG SƠN

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ðỂ NÂNG CAO CHẤT

LƯỢNG ðIỀU KHIỂN THÂM NHẬP CUỘC GỌI

TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ðỘNG CDMA

Chuyªn ngµnh : Tù ®éng hãa

M sè : 62.52.60.01

luËn ¸n tiÕn sÜ kü thuËt

Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS.TS Lª Hïng L©n

TS NguyÔn Thanh H¶i

Hµ néi - 2011

Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o

TRƯỜNG ðẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VÕ TRƯỜNG SƠN

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ðỂ NÂNG CAO CHẤT

LƯỢNG ðIỀU KHIỂN THÂM NHẬP CUỘC GỌI

TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ðỘNG CDMA

luËn ¸n tiÕn sÜ kü thuËt

Hµ néi - 2011

i

LỜI CAM ðOAN

Tôi cam ñoan rằng nội dung của luận án là kết quả

nghiên cứu của riêng tôi, tất cả các ý tưởng tham khảo từ

kết quả nghiên cứu công bố trong các công trình khác ñều

ñược nêu rõ trong luận án. Các số liệu, chương trình phần

mềm, kết quả trong luận án là trung thực và chưa ñược ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Võ Trường Sơn

ii

MỤC LỤC

Mục lục ii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v

Danh mục các bảng xi

Danh mục các hình vẽ, ñồ thị xii

MỞ ðẦU 1

Chương I. ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi trong hệ thống thông tin di

ñộng tế bào CDMA.

4

1.1. Tổng quan ñề tài 4

1.1.1. Các nghiên cứu gần ñây 4

1.1.2. Vấn ñề cần giải quyết trong ñề tài 7

1.2. Hệ thống thông tin di ñộng CDMA 4

1.2.1. Nguyên lý Trải phổ 3

1.2.2. Ưu nhược ñiểm của kỹ thuật trải phổ và ứng dụng của nó 5

1.2.3. Nguyên lý CDMA 5

1.2.4. Hệ thống thông tin di ñộng tế bào CDMA 6

1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn 8

1.2.6. ðiều khiển công suất trong hệ thống tế bào CDMA 11

1.2.7. Chuyển giao trong hệ thống tế bào CDMA 13

1.3. ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi trong hệ thống tế bào CDMA 18

1.4. ðiều khiển thâm nhập trong một số mạng thông tin di ñộng 3G thực tế tại

Việt Nam

19

1.4.1. ðiều khiển thâm nhập dựa vào nhiễu 20

1.4.2. ðiều khiển thâm nhập dựa vào tải 21

1.4.3. Thuật toán ñiều khiển thâm nhập 21

1.5. Ứng dụng Logic mờ trong ñiều khiển thâm nhập cuộc gọi 22

1.5.1. Giới thiệu về hệ mờ 22

iii

1.5.2. Nguyên tắc xây dựng hệ mờ 28

1.5.3. Các mô hình ñiều khiển mờ 30

1.5.3. Ứng dụng hệ mờ trong ñiều khiển thâm nhập cuộc gọi 30

1.6. Các chỉ tiêu cơ bản về chất lượng dịch vụ có liên quan ñến thuật toán CAC 35

1.7. Kết luận Chương I 36

Chương II. ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ có ưu tiên lưu lượng. 37

2.1. Mô hình hệ thống và mô hình lưu lượng 37

2.1.1. Mô hình hệ thống 37

2.1.2. Mô hình lưu lượng 40

2.2. Mô hình và thuật toán CAC mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng TP-FCAC 40

2.2.1. Mô hình TP-FCAC 40

2.2.2. Thuật toán TP-FCAC 44

2.2.3. ðánh giá băng thông hiệu dụng của cuộc gọi 44

2.2.4. ðánh giá thông tin di chuyển của MS và dự trữ băng thông chuyển

giao

48

2.2.5. ðánh giá băng thông sẵn dùng của hệ thống 53

2.2.6. Xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng 54

2.3. Mô phỏng và kết quả 58

2.2.1. Các tham số hệ thống 58

2.2.2. Mô phỏng bộ ñánh giá băng thông hiệu dụng của cuộc gọi 60

2.2.3. Mô phỏng bộ ñánh giá thông tin di chuyển của MS và dự trữ băng

thông

63

2.2.4. Mô phỏng bộ ñánh giá băng thông sẵn dùng của hệ thống 65

2.2.5. Mô phỏng bộ xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ 66

2.2.6. Kết quả mô phỏng 69

2.4. Kết luận chương II 84

Chương III. ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi dựa trên chỉ số chiếm dụng 86

iv

tài nguyên của lớp lưu lượng.

3.1. Khái niệm chỉ số chiếm dụng tài nguyên 86

3.2. ðặt vấn ñề 88

3.3. Mô tả toán học 90

3.4. Mô hình hệ thống 94

3.5. Mô tả thuật toán 96

3.6. Hệ mờ quyết ñịnh ngắt cuộc gọi 98

3.7. Mô phỏng và kết quả 100

3.7.1. Hệ mờ ngắt cuộc gọi 100

3.7.2. Các tham số mô phỏng 103

3.7.3. Kết quả mô phỏng 103

3.8. Kết luận chương III 114

Chương IV. ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên lưu lượng dựa

trên chỉ số chiếm dụng tài nguyên.

115

4.1 ðặt vấn ñề 115

4.2 Mô hình hệ thống 117

4.3 Mô tả thuật toán 118

4.4 Mô phỏng và kết quả 119

4.4.1. Các tham số mô phỏng 119

4.4.2. Kết quả mô phỏng 120

4.4. Kết luận chương IV 132

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133

1. Các kết quả mới của luận án 133

2. Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo 134

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 136

PHỤ LỤC 142

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

• Quy ước ñịnh dạng

chữ thường các toán tử, hàm

chữ thường in nghiêng ñại lượng vô hướng

chữ hoa in nghiêng ñại lượng vô hướng

chữ hoa in ñậm ma trận

• Toán tử, hàm

min Cực tiểu

sign Hàm dấu

exp Hàm e mũ

max Cực ñại

sup Cận dưới

inf Giá trị cận trái

XOR Hoặc loại trừ

• Ký hiệu

(τ ) Rc Hàm tự tương quan

Rc

Tốc ñộ chip

Tc

Chu kỳ chip

ωIF Tần số góc trung tần

Gp ðộ lợi xử lý

SIR Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SIRsetpoint Tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại ñiểm ñặt

total old I

_ Tổng nhiễu cũ

total I Tổng nhiễu

threshold I Ngưỡng nhiễu

vi

∆I Dự ñoán mức tăng nhiễu

∆L Hệ số tải của kết nối mới

Eb/N0 Tỷ số năng lượng bit trên mật ñộ tạp âm

η UL ,η Hệ số tải tuyến lên

η UL _ threshold Ngưỡng tải tuyến lên

η DL Hệ số tải tuyến xuống

η DL _ threshold Ngưỡng tải tuyến lên

(.) µ. Giá trị hàm liên thuộc của tập mờ

ξ.(t) Quá trình ngẫu nhiên

(t) Λl

, a (t)

l Các giá trị suy hao của môi trường

( )

,. P t

r Công suất thu

( )

.

d t Khoảng cách truyền dẫn

φ Hệ số tích cực

λ. Trung bình tỷ lệ cuộc gọi tới

1

.

− µ Trung bình hời gian của cuộc gọi

Br Băng thông dự trữ

Ba Băng thông sẵn dùng

Bs Băng thông dư

Bo Băng thông bị chiếm dụng

Bo

~ Băng thông có thể bị chiếm dụng tối ña

U(.) Tập mờ

W Băng thông của tế bào

P(.) Ma trận ñồng phương sai

pn,l Xác xuất chuyển giao MS sang tế bào l tại thời ñiểm n

pmax Xác xuất chuyển giao cực ñại

vii

k

a Chỉ số chiếm dụng tài nguyên cực ñại của lớp lưu lượng k

k Φl

Chỉ số chiếm dụng tài nguyên cục bộ của lớp lưu lượng k trong tế

bào l

k Φ Chỉ số chiếm dụng tài nguyên cục bộ của lớp lưu lượng k trong hệ

thống

k Bo

Lượng tài nguyên tối ña trung bình của các tế bào trong hệ thống

có thể bị chiếm dụng bởi các cuộc gọi lớp k

Bo

Lượng tài nguyên tối ña trung bình của các tế bào trong hệ thống

có thể bị chiếm dụng

Nvo, Nda, Nvi Số lượng cuộc gọi Voice, Data, Video tương ứng trong tế bào 0

Mvo, Mda, Mvi Số lượng cuộc gọi Voice, Data, Video trong các tế bào lân cận với

tế bào 0

Disc(.) Hàm quyết ñịnh ngắt cuộc gọi

FCAP() Hàm quyết ñịnh thâm nhập cuộc gọi không ưu tiên

TP-FCAP() Hàm quyết ñịnh thâm nhập cuộc gọi có ưu tiên

viii

• Các chữ viết tắt

2G Hệ thông tin di ñộng thế hệ thứ 2

3G Hệ thông tin di ñộng thế hệ thứ 3

3GPP

Dự án ñối tác thế hệ thứ 3, tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng

thông tin di ñộng tế bào

A Chấp nhận

BER Tỷ lệ lỗi bít

BS Trạm gốc

BSC Bộ ñiều khiển trạm gốc

CAC ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi

CAP Xử lý thâm nhập cuộc gọi

CDMA ða truy nhập phân chia theo mã

CDMA2000 Một tiêu chuẩn công nghệ di ñộng họ 3G

DS Trải phổ trực tiếp

DS/SS Trải phổ trực tiếp

DFCAC

ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ dựa trên chỉ số chiếm dụng tài

nguyên

DP-FCAC

ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên lưu lượng dựa trên chỉ

số chiếm dụng tài nguyên

E Vừa ñủ

Eb/I0 Tỷ số mật ñộ năng lượng bit trên tạp âm

EL Cực lớn

ES Cực nhỏ

FCAC ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ

FCAP Xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ

FDMA ða truy nhập phân chia theo tần số

FER Tỷ lệ lỗi khung

FH/SS Trải phổ nhảy tần

GSM Hệ thống thông tin di ñộng toàn cầu

HCDP Xác suất ngắt cuộc gọi chuyển giao

IMT-2000 Chuẩn toàn cầu cho thông tin di ñộng 3G

IS-2000 Tiêu chuẩn giao diện vô tuyến lõi CDMA2000

IS-95 Tiêu chuẩn tế bào số dựa trên nền CDMA thứ nhất

ISDN Mạng ña dịch vụ băng rộng

ITU Liên minh Viễn thông Quốc tế

L Lớn

L-FCAC ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ giới hạn tài nguyên dự trữ

ix

M Trung bình

MAI Nhiễu ña thâm nhập

MC ða sóng mang

ME Quá ñủ

ML Trung bình - lớn

MS Trạm di ñộng, thuê bao di ñộng

MSC Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di ñộng

NCBP Xác suất chặn cuộc gọi mới

NE Không ñủ

NRT Không thời gian thực

PD Bộ ñiều khiển tỷ lệ vi phân

PID Bộ ñiều khiển tỷ lệ vi tích phân

PN Mã giả tạp âm

PSK ðiều chế khóa dịch pha

QoS Chất lượng dịch vụ

R Từ chối

RAB Sóng mang truy nhập vô tuyến

RAN Mạng truy nhập vô tuyến

RF Tần số vô tuyến

RLS Bình phương nhỏ nhất ñệ quy

RNC Bộ ñiều khiển trạm gốc

RRM Quản lý tài nguyên vô tuyến

RT Thời gian thực

S Nhỏ

SIR Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SISO Một ñầu vào, một ñầu ra

SLTBCCG Số lượng trung bình các cuộc gọi

SM Nhỏ - trung bình

SR Tốc ñộ trải phổ

SS Trải phổ trực tiếp

TDMA ða truy nhập phân chia theo thời gian

TH/SS Trải phổ nhảy thời gian

TLCDTNTB Tỷ lệ chiếm dụng tài nguyên trung bình

TLNCGCB Tỷ lệ ngắt cuộc gọi cưỡng bức

TP-FCAC ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng

TP-FCAP Xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng

TS Takagi – Sugeno - mô hình mờ TS

x

U-FCAC

ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ không giới hạn tài nguyên dự

trữ

UMTS Hệ thống Viễn thông Di ñộng Toàn cầu

VL Rất lớn

VS Rất nhỏ

WA Chấp nhận yếu

W-CDMA Hệ thống CDMA băng rộng

WR Từ chối yếu

XSCCGM Xác suất chặn cuộc gọi mới

XSNCGCG Xác suất ngắt cuộc gọi chuyển giao

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. So sánh ba bộ giải mờ 28

Bảng 2.1. Các luật suy diễn mờ cho bộ TP-FCAP (voice, data và video) 58

Bảng 2.2. Các luật ñánh giá băng thông hiệu dụng liên tế bào 62

Bảng 2.3. Các luật ñánh giá thông tin di chuyển 64

Bảng 2.4. Trọng số tương ứng của các luật ñánh giá thông tin di chuyển. 64

Bảng 2.5. Các luật hợp thành mờ của hệ suy diễn mờ xử lý thâm nhập cuộc

gọi.

69

Bảng 3.1. Các luật hợp thành mờ của hệ suy diễn mờ quyết ñịnh ngắt cuộc

gọi

103

xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Hình 1.1. Nguyên lý trải phổ 4

Hình 1.2. Nguyên lý thu- phát trong thông tin di ñộng CDMA 6

Hình 1.3. Hệ thống thông tin di ñộng CDMA 7

Hình 1.4. Hiệu ứng gần-xa trong thông tin di ñộng 9

Hình 1.5. Hiện tượng fadinh nhiều ñường trong thông tin di ñộng 10

Hình 1.6. Vùng chuyển giao mềm 15

Hình 1.7. Vùng chuyển giao mềm hơn 16

Hình 1.8. Vùng chuyển giao mềm - mềm hơn 16

Hình 1.9. Cấu trúc bên trong của một bộ ñiều khiển mờ 22

Hình 1.10. Các dạng của bộ mờ hoá 25

Hình 1.11. Bộ giải mờ trọng tâm 26

Hình 1.12. Bộ giải mờ trung bình tâm 27

Hình 1.13. Bộ giải mờ cực ñại 28

Hình 2.1. Các tế bào lục giác 38

Hình 2.2. Mô hình TP-FCAC 41

Hình 2.3. Các tế bào lớp 1 và lớp 2 43

Hình 2.4. Sơ ñồ khối thuật toán TP-FCAC 44

Hình 2.5. Sơ ñồ khối chức năng của bộ ñánh giá băng thông hiệu dụng mờ 46

Hình 2.6. Cấu trúc mô hình ñánh giá thông tin di chuyển 49

Hình 2.7. Hàm thuộc của Bl , Ba,0 , Ba,l ứng với cuộc gọi voice 55

Hình 2.8. Các tế bào trong hệ thống mô phỏng 59

Hình 2.9. Các hàm thuộc của các biến P0 và Pl

trong ñánh giá băng thông

hiệu dụng

61

Hình 2.10. Các hàm thuộc của biến Bl

trong ñánh giá băng thông hiệu dụng

ứng với cuộc gọi Voice, Data và Video

61

Hình 2.11. Các hàm thuộc của các biến an,0 và an,l trong ñánh giá thông tin di

chuyển

63

Hình 2.12. Các hàm thuộc của các biến thông tin di chuyển pn,l. 63

xiii

Hình 2.13. Hàm thuộc của Bl

, Ba,0 , Ba,l tương ứng với cuộc gọi Data 66

Hình 2.14. Hàm thuộc của Bl

, Ba,0 , Ba,l tương ứng với cuộc gọi Video 67

Hình 2.15. Hàm thuộc của quyết ñịnh thâm nhập cuộc gọi (cho các loại dịch

vụ)

68

Hình 2.16. SLTBCCG Voice, Video, Data trong hệ thống 3,75 MHz với U￾FCAC và L-FCAC

70

Hình 2.17. XSCCGM Voice, Video, Data trong hệ thống 3,75 MHz với U￾FCAC và L-FCAC

71

Hình 2.18. XSNCGCG Voice, Video, Data trong hệ thống 3,75 MHz với U￾FCAC và L-FCAC

73

Hình 2.19. SLTBCCG Voice, Video, Data trong hệ thống 5 MHz với U￾FCAC và L-FCAC

74

Hình 2.20. XSCCGM Voice, Video, Data trong hệ thống 5 MHz với U￾FCAC và L-FCAC

75

Hình 2.21. XSNCGCG Voice, Video, Data trong hệ thống 5 MHz với U￾FCAC và L-FCAC

76

Hình 2.22. SLTBCCG Voice, Video, Data trong hệ thống 3,75 MHz với TP￾FCAC và FCAC

78

Hình 2.23. XSCCGM Voice, Video, Data trong hệ thống 3,75 MHz với TP￾FCAC và FCAC

79

Hình 2.24. XSNCGCG Voice, Video, Data trong hệ thống 3,75 MHz với

TP-FCAC và FCAC

80

Hình 2.25. SLTBCCG Voice, Video, Data trong hệ thống 5 MHz với TP￾FCAC và FCAC

81

Hình 2.26. XSCCGM Voice, Video, Data trong hệ thống 5 MHz với TP￾FCAC và FCAC

82

Hình 2.27. XSNCGCG Voice, Video, Data trong hệ thống 5 MHz với TP￾FCAC và FCAC

83

Hình 3.1: Chỉ số chiếm dụng tài nguyên cực ñại của các lớp lưu lượng 87