Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển thâm nhập cuộc gọi trong hệ thống thông tin di động CDMA" do nghiên cứu sinh Võ Trường Sơn thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, thuộc chuyên ngành Tự động hóa (mã số: 62.01), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Lê Hùng Lân và TS Nguyễn Thanh Hải, bảo vệ tại Hà Nội năm 2011.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) và định hướng phát triển lên 4G, công nghệ Đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA) được ứng dụng rộng rãi nhằm đáp ứng nhu cầu truyền thông đa dịch vụ băng rộng với tốc độ dữ liệu lên đến 2 Mb/s theo khuyến nghị của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU/IMT-2000). Quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management - RRM), đặc biệt là chức năng Điều khiển thâm nhập cuộc gọi (Call Admission Control - CAC), giữ vai trò quyết định trong việc bảo đảm chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) và tối ưu hóa dung lượng mạng.

Thực tế vận hành mạng CDMA bộc lộ các thách thức kỹ thuật lớn:

  1. Tính bất định của môi trường vô tuyến: Sự di chuyển của các trạm di động (Mobile Station - MS), hiện tượng fading nhiều đường, hiệu ứng che khuất và biến động tải lưu lượng khiến các kết quả đo lường tham số mạng (mức nhiễu, tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR, công suất) luôn mang tính mơ hồ, ngẫu nhiên và thiếu chính xác.
  2. Hạn chế của thuật toán CAC kinh điển: Các thuật toán CAC truyền thống chủ yếu dựa trên việc so sánh số đo mức nhiễu hoặc tải của tế bào với các ngưỡng cố định dạng số học cứng, không phản ánh đúng trạng thái động của hệ thống và dễ dẫn đến sai lệch khi ra quyết định chấp nhận hoặc từ chối kết nối.
  3. Thiếu cơ chế ưu tiên lưu lượng toàn diện: Định nghĩa QoS của tổ chức 3GPP phân cấp 4 lớp dịch vụ: Hội thoại (Conversational), Luồng (Streaming), Tương tác (Interactive) và Nền (Background). Tuy nhiên, các thuật toán CAC hiện hành chưa quan tâm đầy đủ đến mức độ ưu tiên giữa các lớp lưu lượng này mà chỉ dừng lại ở việc phân biệt cuộc gọi thời gian thực và phi thời gian thực, dẫn đến tình trạng cuộc gọi ưu tiên cao vẫn bị chặn khi mạng đầy tải.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là ứng dụng công cụ logic mờ (Fuzzy Logic) nhằm nâng cao chất lượng và độ chính xác của quyết định điều khiển thâm nhập cuộc gọi trên tuyến lên (uplink) trong các hệ thống thông tin di động tế bào CDMA đa lớp dịch vụ.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu, phân tích các đặc trưng vật lý của mạng CDMA, các yếu tố ảnh hưởng môi trường truyền dẫn, kỹ thuật điều khiển công suất và các mô hình CAC hiện hữu.
  2. Đề xuất mô hình và thuật toán điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ có ưu tiên lưu lượng (Traffic Priority Fuzzy Call Admission Control - TP-FCAC) nhằm đảm bảo ưu tiên chấp nhận cuộc gọi có độ ưu tiên cao khi tài nguyên mạng bị suy giảm.
  3. Đề xuất khái niệm mới "Chỉ số chiếm dụng tài nguyên của lớp lưu lượng" và xây dựng thuật toán điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ dựa trên chỉ số này (DFCAC).
  4. Thiết lập thuật toán điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên lưu lượng có cơ chế ngắt cưỡng bức cuộc gọi ưu tiên thấp đang hoạt động để giải phóng tài nguyên cho cuộc gọi ưu tiên cao (DP-FCAC).
  5. Xây dựng chương trình mô phỏng trên nền tảng phần mềm MATLAB nhằm kiểm chứng, so sánh hiệu năng của các giải pháp đề xuất trên hai băng thông chuẩn 3,75 MHz (CDMA2000) và 5 MHz (UMTS).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thuật toán điều khiển thâm nhập cuộc gọi (CAC), hệ suy diễn mờ (Fuzzy Inference System), các lớp lưu lượng thoại (Voice), dữ liệu (Data), video (Video) và cơ chế quản lý tài nguyên vô tuyến trên tuyến lên của mạng tế bào CDMA.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các thông số kỹ thuật vô tuyến tuyến lên trong mạng tế bào CDMA2000 (băng thông 3,75 MHz với tốc độ trải phổ SR-3) và mạng UMTS/W-CDMA (băng thông 5 MHz). Nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa giải thuật, thiết kế bộ suy diễn mờ và kiểm chứng thông qua mô phỏng số.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tác giả luận án đã tiến hành hệ thống hóa và phân tích các công trình nghiên cứu về CAC ứng dụng logic mờ trong mạng tế bào CDMA, chia thành ba nhóm mô hình cơ bản:

Nhóm mô hình Công trình tiêu biểu Nguyên lý hoạt động Hạn chế chính được luận án chỉ ra
Loại 1: Đánh giá tài nguyên tương đương và khả năng đáp ứng [34], [28], [22], [62], [23], [35] Sử dụng bộ xử lý thâm nhập mờ kết hợp bộ đánh giá tài nguyên sẵn dùng và mức chiếm dụng tài nguyên của yêu cầu mới. Hầu hết là hệ thống vòng hở; không tính đến mức độ ưu tiên của các lớp dịch vụ khác nhau; hạn chế lượng tài nguyên dự trữ cho cuộc gọi chuyển giao.
Loại 2: Suy giảm tài nguyên kết nối ưu tiên thấp [31], [58] Khi thiếu băng thông, hệ thống mờ chọn các cuộc gọi ưu tiên thấp đang hoạt động để giảm bớt băng thông cấp phát nhằm tiếp nhận cuộc gọi mới. Là hệ hở; không đưa ra cách tính toán tường minh băng thông yêu cầu dưới tác động của môi trường; bỏ qua ảnh hưởng chiếm dụng băng thông của ít nhất 6 tế bào lân cận.
Loại 3: Điều khiển kênh mã hóa qua ngưỡng chuyển giao mềm [55], [52], [53], [54], [66] Ứng dụng mô hình Neural-Fuzzy để điều chỉnh thích nghi các tham số ngưỡng chuyển giao mềm dựa trên xác suất chặn và xác suất ngắt cuộc gọi hồi tiếp. Là hệ kín nhưng đối tượng điều khiển là kênh mã hóa chứ không phải tài nguyên vô tuyến; không xét đến fading và đặc tính biến thiên lưu lượng theo không gian giữa các tế bào.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn

Luận án định vị nghiên cứu vào việc khắc phục đồng thời các khiếm khuyết của các nhóm mô hình trên:

  • Xử lý triệt để tính thiếu chính xác của các phép đo vô tuyến thông qua việc thiết lập các hàm liên thuộc mờ đa biến cho băng thông hiệu dụng, thông tin di chuyển và băng thông sẵn dùng.
  • Tích hợp nguyên tắc ưu tiên lưu lượng 4 lớp QoS theo chuẩn 3GPP trực tiếp vào luật hợp thành mờ của bộ điều khiển thâm nhập (TP-FCAC).
  • Đưa ra giải pháp chủ động thu hồi tài nguyên thông qua chỉ số chiếm dụng tài nguyên ($a_k$) và thuật toán ngắt mờ (DP-FCAC) khi tài nguyên tế bào cạn kiệt, đồng thời tính toán đầy đủ ảnh hưởng tương hỗ giữa tế bào phục vụ và các tế bào lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết thông tin vô tuyến và lý thuyết điều khiển mờ:

  1. Nguyên lý trải phổ và đa truy nhập CDMA:

    • Sử dụng mã giả tạp âm (Pseudo-Noise - PN) chuỗi trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum - DS/SS) với các chip có giá trị ${-1, 1}$ hoặc ${0, 1}$.
    • Tín hiệu trải phổ được phân bố trên dải tần rộng hơn nhiều so với phổ tín hiệu gốc, giúp giảm mật độ phổ công suất, hạn chế nhiễu đồng kênh và tăng tính bảo mật.
    • Các tiêu chuẩn khảo sát: IS-95, IS-2000 (tốc độ trải phổ SR-1 với chip rate 1,2288 Mcps; SR-3 đa sóng mang MC hoặc trải phổ trực tiếp DS cho băng thông 3,75 MHz và 5 MHz) và UMTS (W-CDMA).

  2. Mô hình suy hao và fading kênh truyền vô tuyến:

    • Hiệu ứng gần - xa (Near-Far effect): Sai lệch công suất thu tại trạm gốc (BS) giữa thiết bị di động ở gần và ở xa có thể lên tới 80 dB nếu không được điều khiển công suất.
    • Fading quy mô lớn (Large-scale fading / Fading chậm): Do suy hao đường truyền theo khoảng cách và hiệu ứng che khuất (Shadowing) từ địa hình, nhà cao tầng; tuân theo phân bố log-normal.
    • Fading quy mô nhỏ (Small-scale fading / Fading nhanh): Do giao thoa đa đường; tín hiệu tức thời nhận được $s(t) = r(t)\cos(\omega_0 t + \theta(t))$ có đường bao $r(t)$ tuân theo hàm mật độ xác suất Rayleigh.

  3. Kỹ thuật điều khiển công suất và chuyển giao:

    • Điều khiển công suất tuyến lên gồm vòng hở (ước lượng ban đầu) và vòng kín nhanh (vòng trong tần số 1500 Hz ở W-CDMA so sánh SIR đo được với $SIR_{setpoint}$; vòng ngoài tại bộ điều khiển trạm gốc RNC điều chỉnh $SIR_{setpoint}$ dựa trên tỷ lệ lỗi khung FER/chất lượng khung).
    • Chuyển giao mềm (Soft Handover) và mềm hơn (Softer Handover) theo nguyên lý "nối trước khi cắt" (make-before-break) giữa các sector và tế bào lân cận.

  4. Lý thuyết tập mờ và hệ suy diễn mờ:

    • Áp dụng cấu trúc bộ điều khiển mờ gồm: Khối mờ hóa (Fuzzification), Cơ sở luật hợp thành (Rule Base với các mệnh đề IF-THEN), Khối suy diễn mờ (Fuzzy Inference Engine theo mô hình Takagi - Sugeno hoặc Mamdani) và Khối giải mờ (Defuzzification sử dụng phương pháp trọng tâm, trung bình tâm hoặc cực đại).
    • Quy ước biến ngôn ngữ đầu vào/đầu ra với các mức thuộc tính: Rất nhỏ (VS), Nhỏ (S), Nhỏ - Trung bình (SM), Trung bình (M), Trung bình - Lớn (ML), Lớn (L), Rất lớn (VL), Cực lớn (EL); Cực tiểu (min), Cực đại (max); Chấp nhận (A), Chấp nhận yếu (WA), Từ chối yếu (WR), Từ chối (R).
                     +---------------------------------------+
                     |         Cơ sở luật mờ (IF-THEN)       |
                     +---------------------------------------+
                                         |
                                         v
+----------------+   +-------------------+   +--------------------+   +-----------------+
|  Đầu vào rõ    |-->|   Khối mờ hóa     |-->|   Khối suy diễn    |-->|  Khối giải mờ   |--> Đầu ra rõ
| (Băng thông,   |   | (Fuzzification)   |   |   (Inference)      |   | (Defuzzification|    (Quyết định
|  Tải, Nhiễu...) |   | (Hàm thuộc)       |   +--------------------+   +-----------------+     CAC / Ngắt)
+----------------+   +-------------------+

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp tiếp cận: Nghiên cứu định lượng kết hợp giải tích toán học và mô phỏng số.
  • Công cụ thực nghiệm: Môi trường phần mềm MATLAB để mô phỏng mạng tế bào vô tuyến đa tế bào (tế bào phục vụ $0$ và các tế bào lân cận $l$), tạo luồng cuộc gọi ngẫu nhiên tuân theo quá trình Poisson, thời gian duy trì cuộc gọi và mô phỏng động thái di chuyển của các thuê bao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Điều khiển thâm nhập cuộc gọi trong hệ thống thông tin di động tế bào CDMA

Chương này tập trung trình bày tổng quan lý thuyết hệ thống CDMA, phân tích bản chất các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến tài nguyên vô tuyến và đánh giá hiện trạng các thuật toán CAC.

  • Phân tích kỹ thuật trải phổ: Trình bày chi tiết ba kỹ thuật trải phổ: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS), Trải phổ nhảy tần (FH/SS) và Trải phổ nhảy thời gian (TH/SS). Luận giải cấu trúc máy thu - phát CDMA với phép nhân chuỗi PN và điều chế pha khóa dịch (PSK).
  • Môi trường truyền dẫn vô tuyến: Phân tích toán học tín hiệu thu $s(t)$ tại trạm gốc dưới tác động của fading đa đường và che khuất. Khẳng định sai lệch công suất do hiệu ứng gần - xa có thể vượt quá 80 dB, đòi hỏi phải duy trì điều khiển công suất vòng kín với chu kỳ 1500 lần/giây.
  • Khảo sát mạng thực tế tại Việt Nam: Phân tích thực trạng điều khiển thâm nhập trên các mạng 3G CDMA/W-CDMA thời điểm 2011, chỉ ra rằng hầu hết chỉ dựa trên phép đo mức nhiễu tổng $I_{total}$, ngưỡng nhiễu $I_{threshold}$ hoặc hệ số tải tuyến lên $\eta_{UL}$ ($\eta_{UL_threshold}$), chưa xét đến tính mơ hồ của phép đo và chưa phân cấp ưu tiên lưu lượng chi tiết theo 4 lớp của 3GPP.

Chương II: Điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ có ưu tiên lưu lượng

Chương II phát triển mô hình và thuật toán điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng (TP-FCAC).

                      +------------------------------------------+
                      |   Yêu cầu cuộc gọi mới (Voice/Data/Video)|
                      +------------------------------------------+
                                           |
                                           v
+--------------------------+   +---------------------------+   +--------------------------+
|  Đánh giá băng thông     |   |   Đánh giá di chuyển MS   |   |   Đánh giá băng thông    |
|  hiệu dụng mờ (B_0, B_l) |   |   & dự trữ chuyển giao    |   |   sẵn dùng của hệ thống  |
+--------------------------+   +---------------------------+   +--------------------------+
             \                               |                              /
              \                              |                             /
               v                             v                            v
              +------------------------------------------------------------+
              |      Bộ xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên (TP-FCAP)      |
              |       (Hàm quyết định TP-FCAP(), bảng luật mờ hợp thành)   |
              +------------------------------------------------------------+
                                             |
                                             v
                      +------------------------------------------+
                      | Quyết định: Chấp nhận (A) / Từ chối (R)  |
                      +------------------------------------------+

  1. Cấu trúc thuật toán TP-FCAC:

    • Bộ đánh giá băng thông hiệu dụng mờ: Đánh giá lượng băng thông cuộc gọi chiếm dụng tại tế bào hiện tại ($B_0$) và tại các tế bào lân cận ($B_l$) cho từng loại dịch vụ: Thoại ($Voice$), Số liệu ($Data$), Hình ảnh ($Video$).
    • Bộ đánh giá thông tin di chuyển và dự trữ băng thông chuyển giao: Tính toán xác suất chuyển giao của MS sang tế bào $l$ tại thời điểm $n$ ($\rho_{n,l}$) dựa trên tốc độ và hướng di chuyển, từ đó xác định lượng băng thông dự trữ $B_r$.
    • Bộ xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ TP-FCAP: Nhận các biến đầu vào gồm băng thông hiệu dụng ($B_0, B_l$), băng thông sẵn dùng ($B_a$), băng thông dự trữ ($B_r$) và áp dụng luật suy diễn mờ có gắn nhãn ưu tiên lớp lưu lượng.

  2. Luật mờ và hàm liên thuộc:

    • Xây dựng hệ luật suy diễn mờ (Bảng 1, Bảng 2 trong luận án) với các hàm thuộc dạng tam giác và hình thang cho các biến ngôn ngữ.
    • Nguyên tắc vận hành: Khi tải mạng thấp ($B_a$ lớn), mọi cuộc gọi đều được tiếp nhận; khi tải mạng cao ($B_a$ nhỏ), các cuộc gọi Voice (ưu tiên cao nhất) vẫn được chấp nhận ($A$), trong khi Data và Video (ưu tiên thấp hơn) sẽ nhận quyết định từ chối yếu ($WR$) hoặc từ chối ($R$).

  3. Kết quả mô phỏng kiểm chứng:

    • So sánh thuật toán TP-FCAC với FCAC thông thường, U-FCAC (không giới hạn tài nguyên dự trữ) và L-FCAC (giới hạn tài nguyên dự trữ).
    • Mô phỏng thực hiện độc lập trên 2 hệ thống: băng thông 3,75 MHz (CDMA2000) và 5 MHz (UMTS).
    • Kết quả chỉ ra rằng TP-FCAC kiểm soát vượt trội hai chỉ số: Xác suất chặn cuộc gọi mới ($XSCCGM$) của Voice giảm rõ rệt và Xác suất ngắt cuộc gọi chuyển giao ($XSNCCGG$) luôn được giữ ở mức thấp ổn định so với các mô hình kinh điển.

Chương III: Điều khiển thâm nhập cuộc gọi dựa trên chỉ số chiếm dụng tài nguyên của lớp lưu lượng

Chương III đề xuất chỉ số mới và thuật toán DFCAC nhằm đánh giá định lượng mức tiêu thụ tài nguyên của từng nhóm dịch vụ.

  1. Định nghĩa chỉ số chiếm dụng tài nguyên:

    • Thiết lập công thức xác định chỉ số chiếm dụng tài nguyên cực đại ($a_k$), chỉ số chiếm dụng cục bộ trong tế bào $l$ ($a_{lk}$) và chỉ số chiếm dụng cục bộ trong toàn hệ thống ($a_k$) cho lớp lưu lượng $k$.
    • Tham số hóa lượng tài nguyên trung bình cực đại mà các cuộc gọi lớp $k$ có thể chiếm dụng ($B_{0k}$) so với tổng tài nguyên trung bình $B_0$.

  2. Hệ mờ quyết định ngắt cuộc gọi:

    • Thiết kế hàm quyết định ngắt $Disc(\cdot)$ dựa trên hệ suy diễn mờ nhận các biến trạng thái về số lượng cuộc gọi đang hoạt động của từng dịch vụ tại tế bào phục vụ ($N_{vo}, N_{da}, N_{vi}$) và tại các tế bào lân cận ($M_{vo}, M_{da}, M_{vi}$).
    • Xây dựng các hàm liên thuộc đầu vào và hàm liên thuộc đầu ra $Disc$ (Hình 3.5 - 3.10 trong luận án).

  3. Hiệu năng thuật toán DFCAC:

    • Mô phỏng trên mạng 3,75 MHz và 5 MHz cho thấy DFCAC tối ưu hóa được Tỷ lệ chiếm dụng tài nguyên trung bình ($TLCDTNTB$) của toàn mạng.
    • So với FCAC truyền thống, DFCAC phân phối tải cân bằng hơn giữa tế bào trung tâm và các tế bào lân cận, ngăn chặn hiện tượng nghẽn cục bộ.

Chương IV: Điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên lưu lượng dựa trên chỉ số chiếm dụng tài nguyên

Chương IV tích hợp các giải pháp của Chương II và Chương III thành mô hình hoàn chỉnh DP-FCAC.

+---------------------------------------------------------------------------------+
|                              Thuật toán DP-FCAC                                 |
+---------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Tiếp nhận yêu cầu kết nối mới                                                |
| 2. Thực hiện đánh giá thâm nhập theo thuật toán TP-FCAC                         |
| 3. IF (Đủ tài nguyên sẵn dùng) THEN                                            |
|       Chấp nhận cuộc gọi mới                                                    |
|    ELSE IF (Cuộc gọi mới là ưu tiên cao - Voice/Handover) THEN                  |
|       - Kích hoạt hệ mờ quyết định ngắt cuộc gọi Disc()                         |
|       - Tìm và ngắt cưỡng bức cuộc gọi ưu tiên thấp (Data/Video) chiếm tài nguyên|
|       - Tái cấp phát tài nguyên giải phóng cho cuộc gọi mới                     |
|    ELSE                                                                         |
|       Từ chối cuộc gọi mới (Chặn)                                               |
|    END IF                                                                       |
+---------------------------------------------------------------------------------+
  • Nguyên lý hoạt động của DP-FCAC: Khi một cuộc gọi ưu tiên cao (Voice hoặc cuộc gọi chuyển giao) yêu cầu thâm nhập trong điều kiện tài nguyên vô tuyến đã cạn kiệt, hệ thống không từ chối ngay mà kích hoạt thuật toán tìm kiếm và ngắt cưỡng bức các kết nối Data hoặc Video đang chiếm dụng tài nguyên vượt mức chỉ số cho phép.
  • Kết quả đánh giá trên mô hình 3,75 MHz và 5 MHz:
    • Số lượng trung bình các cuộc gọi phục vụ ($SLTBCCG$) của lớp Voice đạt mức cao nhất.
    • Tỷ lệ ngắt cuộc gọi cưỡng bức ($TLNCGCB$) đối với Video và Data được duy trì trong giới hạn cho phép của QoS, bảo đảm sự cân bằng giữa chất lượng phục vụ và hiệu quả khai thác tài nguyên vô tuyến.
    • Hệ thống vận hành ổn định trên cả hai cấu hình băng thông 3,75 MHz và 5 MHz, khẳng định tính đúng đắn của giải thuật.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự đúc kết các kết quả và đóng góp mới về mặt khoa học kỹ thuật như sau:

1. Đóng góp về mặt lý thuyết và phương pháp

  • Đề xuất mô hình TP-FCAC: Xây dựng thành công mô hình và thuật toán điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ có ưu tiên lưu lượng cho mạng tế bào CDMA, giải quyết đồng thời bài toán bất định của môi trường vô tuyến và bài toán phân cấp ưu tiên dịch vụ theo khuyến nghị 3GPP.
  • Định nghĩa chỉ số chiếm dụng tài nguyên: Đề xuất và toán học hóa khái niệm "Chỉ số chiếm dụng tài nguyên của lớp lưu lượng" ($a_k, a_{lk}$), cung cấp công cụ định lượng chuẩn xác mức độ tiêu hao tài nguyên vô tuyến của từng loại hình dịch vụ trong môi trường đa sóng mang/đa tế bào.
  • Xây dựng thuật toán ngắt mờ DP-FCAC: Thiết kế thành công thuật toán điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên lưu lượng kết hợp cơ chế ngắt chọn lọc cuộc gọi ưu tiên thấp dựa trên chỉ số chiếm dụng tài nguyên, tạo ra cơ chế quản trị tài nguyên vô tuyến vòng kín thích ứng cao.

2. Ý nghĩa thực tiễn và ứng dụng

  • Cung cấp bộ công cụ mô phỏng toàn diện trên nền tảng MATLAB với các thuật toán mờ hóa, suy diễn và giải mờ có thể chuyển giao trực tiếp cho việc nghiên cứu và thử nghiệm mạng di động.
  • Các kết quả nghiên cứu và quy tắc suy diễn mờ có thể ứng dụng trực tiếp cho các nhà khai thác mạng di động và nhà sản xuất thiết bị viễn thông trong việc cấu hình khối quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) trên các trạm gốc (BS) và bộ điều khiển trạm gốc (BSC/RNC) thuộc chuẩn CDMA2000 và W-CDMA/UMTS tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  1. Phạm vi không gian truyền sóng: Các mô hình thuật toán trong luận án được tập trung nghiên cứu, xây dựng và tối ưu chủ yếu cho đường truyền tuyến lên (uplink), chưa tích hợp đầy đủ các đặc tính phân bổ công suất phức tạp của đường truyền tuyến xuống (downlink).
  2. Phương pháp thực nghiệm: Toàn bộ các kết quả đánh giá, kiểm chứng hiệu năng thuật toán đều được thực hiện thông qua mô phỏng số trên phần mềm MATLAB dựa trên các tham số giả lập kênh truyền, chưa có điều kiện triển khai thử nghiệm đo đạc trực tiếp trên phần cứng mạng viễn thông thực tế.

Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo

Theo nội dung kiến nghị của tác giả ở phần kết luận, các hướng phát triển tiếp theo gồm:

  1. Mở rộng mô hình điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên lưu lượng (TP-FCAC, DP-FCAC) cho cả kênh truyền tuyến xuống (downlink) và phối hợp tối ưu hóa hai chiều đồng thời.
  2. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng thuật toán cho các công nghệ mạng không dây thế hệ tiếp theo (4G LTE, NGWN) có cấu trúc phân chia tài nguyên linh hoạt theo khối tần số - thời gian (OFDMA).
  3. Tích hợp giải thuật mạng nơ-ron (Neural Network) kết hợp logic mờ (Neuro-Fuzzy) để tự động hóa quá trình tối ưu và chỉnh định hàm thuộc, trọng số luật mờ thích nghi theo thời gian thực dựa trên dữ liệu tải đo được từ mạng thực.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo khoa học và kỹ thuật cho nhiều đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tham khảo phương pháp luận ứng dụng logic mờ trong các bài toán kỹ thuật điều khiển và tự động hóa hệ thống viễn thông phức tạp; phương pháp thiết kế bộ suy diễn mờ đa biến Takagi - Sugeno xử lý số liệu đo mơ hồ.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu chuyên ngành Vô tuyến / Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), lý thuyết điều khiển công suất, cơ chế chuyển giao mềm và giải thuật CAC trong mạng di động tế bào CDMA/W-CDMA.
  • Kỹ sư tối ưu hóa mạng di động: Tham khảo các quy tắc hợp thành mờ, bảng luật suy diễn và tập mã nguồn mô phỏng MATLAB (được cung cấp ở phần Phụ lục) để áp dụng vào việc phân tích, tinh chỉnh ngưỡng thâm nhập và cải thiện chỉ tiêu QoS cho mạng thông tin di động.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết vấn đề gì của các thuật toán điều khiển thâm nhập cuộc gọi (CAC) truyền thống trong mạng CDMA?

Các thuật toán CAC truyền thống dựa vào việc đo đạc mức nhiễu hoặc tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) rồi so sánh với ngưỡng cố định. Do người dùng di chuyển liên tục, hiện tượng fading đa đường và che khuất, các kết quả đo luôn thiếu chính xác và mơ hồ. Luận án ứng dụng logic mờ để xử lý các tham số đầu vào không chính xác này, đồng thời tích hợp cơ chế phân cấp ưu tiên cho 4 lớp dịch vụ QoS (Voice, Video, Data, Background) thay vì chỉ phân biệt thời gian thực và phi thời gian thực như trước đây.

2. Thuật toán TP-FCAC được cấu thành từ những khối chức năng chính nào?

Thuật toán TP-FCAC gồm ba khối chức năng chính:

  • Khối đánh giá băng thông hiệu dụng mờ của cuộc gọi yêu cầu (tại tế bào hiện tại $B_0$ và tế bào lân cận $B_l$).
  • Khối đánh giá thông tin di chuyển của trạm di động MS ($\rho_{n,l}$) và tính toán lượng băng thông dự trữ cho chuyển giao ($B_r$).
  • Khối xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên lưu lượng (TP-FCAP) ứng dụng bảng luật hợp thành mờ để ra quyết định chấp nhận hoặc từ chối kết nối.

3. "Chỉ số chiếm dụng tài nguyên của lớp lưu lượng" có vai trò gì trong luận án?

Chỉ số chiếm dụng tài nguyên ($a_k, a_{lk}$) là một chỉ số mới do tác giả đề xuất nhằm định lượng mức tiêu hao tài nguyên vô tuyến của từng lớp lưu lượng $k$ tại tế bào phục vụ và các tế bào lân cận. Chỉ số này đóng vai trò là biến trạng thái đầu vào cho hệ mờ quyết định ngắt cuộc gọi $Disc(\cdot)$, giúp hệ thống nhận biết khi nào một lớp dịch vụ vượt quá hạn mức tài nguyên cho phép để thực hiện điều tiết hoặc ngắt cưỡng bức.

4. Thuật toán DP-FCAC xử lý như thế nào khi tài nguyên tế bào bị cạn kiệt mà có cuộc gọi ưu tiên cao yêu cầu kết nối?

Khi tài nguyên mạng không còn đủ đáp ứng cho một cuộc gọi mới có độ ưu tiên cao (như cuộc gọi thoại Voice hoặc cuộc gọi chuyển giao Handover), thuật toán DP-FCAC sẽ kích hoạt hệ mờ ngắt cuộc gọi. Hệ thống sẽ tự động tìm kiếm và ngắt cưỡng bức một số kết nối thuộc lớp dịch vụ ưu tiên thấp hơn (như Data hoặc Video) đang hoạt động để thu hồi băng thông và tái cấp phát cho cuộc gọi ưu tiên cao.

5. Hiệu năng của các thuật toán đề xuất được kiểm chứng trên những cấu hình băng thông nào?

Hiệu năng của các thuật toán TP-FCAC, DFCAC và DP-FCAC được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phần mềm MATLAB với 2 cấu hình chuẩn:

  • Hệ thống băng thông 3,75 MHz theo chuẩn CDMA2000 (tốc độ trải phổ SR-3) nhằm đối sánh trực tiếp với các công trình nghiên cứu công bố trước đó.
  • Hệ thống băng thông 5 MHz theo chuẩn UMTS (W-CDMA) tương thích với cấu hình mạng di động 3G phổ biến tại Việt Nam.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Võ Trường Sơn đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao chất lượng điều khiển thâm nhập cuộc gọi trên tuyến lên của hệ thống thông tin di động tế bào CDMA thông qua việc ứng dụng lý thuyết logic mờ. Bằng việc đề xuất các mô hình thuật toán mới gồm TP-FCAC, DFCAC và DP-FCAC kết hợp với chỉ số chiếm dụng tài nguyên của lớp lưu lượng, công trình đã khắc phục được nhược điểm của các phép đo vô tuyến thiếu chính xác và bảo đảm phân bổ ưu tiên dịch vụ theo đúng phân cấp QoS của chuẩn 3GPP. Toàn bộ các mô hình toán học và thuật toán mờ đã được kiểm chứng tính hiệu quả và độ ổn định thông qua mô phỏng số chi tiết trên nền tảng MATLAB cho cả hai chuẩn băng thông 3,75 MHz và 5 MHz.