Đề tài Ứng dụng logic mờ vào quá trình cập nhập vị trí thuê bao di động theo thời gian thích ứng

- 1 - ứng 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 ph−ơng pháp cập nhật vị trí thuê bao di động theo thời gian thích ứng sử dụng logic mờ. Ph−ơng 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 đ−ợc thực hiện thông qua hệ thống điều khiển mờ. So với các ph−ơng pháp cập nhật thông th−ờng khác, ph−ơng pháp này đáp ứng tốt hơn trong những môi tr−ờng 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 l−ợng ng−ời sử dụng di động đã làm cho l−u l−ợng 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 th−ớc cell ngày càng đ−ợc giảm nhỏ. Tuy nhiên, khi kích th−ớc 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. Ph−ơng 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 đ−ợc 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 th−ờng đ−ợc 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, ph−ơng pháp cập nhật vị trí thuê bao theo vùng là đ−ợc sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất, với vùng đ−ợc định nghĩa là một vài cell nằm lân cận nhau và việc cập nhật vị trí thuê bao đ−ợc thực hiện khi mà thuê bao đi vào một vùng mới. Nh−ợc điểm của ph−ơng 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 −u hoá kích th−ớc vùng cần phải xem xét đến tính t−ơng quan giữa bản tin báo hiệu và kích th−ớc vùng. Vì thế, ng−ời ta đã tiến hành nghiên cứu ph−ơng pháp cập nhật vị trí theo nhiều lớp nhằm giải quyết vấn đề ping – pong. Trong ph−ơng pháp cập nhật vị trí theo thời gian, máy di động cập nhật vị trí của nó sau một khoảng chu kỳ T. Trong ph−ơng pháp cập nhật vị trí theo chuyển động thuê bao, thuê bao - 2 - sẽ phát các bản tin bản tin cập nhật cho M cells và trong ph−ơng pháp cập nhật vị trí theo khoảng cách, vị trí thuê bao đ−ợc cập nhật khi mà khoảng cách của thuê bao đến trạm gần nhất v−ợt qua ng−ỡng giá trị D. Trong các ph−ơng pháp này thì ph−ơng pháp cập nhật vị trí theo khoảng cách là có hiệu quả nhất. Ph−ơng 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. Ph−ơng 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 l−ợng cell là khác nhau. Các ph−ơng pháp cập nhật vị trí này th−ờng thì không phản ảnh đ−ợc 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 đ−a ra ph−ơng pháp cập nhật vị trí thuê bao theo thời gian thích nghi. Trong đó, vị trí thay đổi của thuê bao đ−ợc cập nhật dựa trên tốc độ di chuyển của máy di động và tỷ lệ cuộc gọi đến bằng ph−ơng pháp logic mờ (fuzzy logic). 2. Ph−ơng pháp định vị thuê bao đề xuất: Việc giảm kích th−ớc cell sẽ làm tăng tỷ lệ tái sử dụng tần số và dung l−ợng 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, ng−ời ta đã đ−a ra hai h−ớng nghiên cứu cho vấn đề này. Thứ nhất, là giảm thiểu số l−ợng bản tin cập nhật thuê bao và tin nhắn tìm gọi trên một phổ tần vô tuyến. Thứ hai là giảm l−ợng thông tin báo hiệu tại các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu nh− HLR (Home Location Register) và VLR (Visitor Location Register). Trong bài báo này, chúng tôi đ−a ra ph−ơng 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 tr−ờng 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 đ−ợc 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 Ph−ơng pháp cập nhật vị trí đề xuất: Quá trình xử lý một cuộc gọi trong thuê bao di động đ−ợc chia thành bốn giai đoạn là: thiết lập cuộc gọi, trạng thái chờ, truy nhập hệ thống và trạng thái kênh l−u l−ợng (cuộc gọi thành công). Bản tin cập nhật vị trí thuê bao đ−ợc 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 ph−ơng pháp đ−a ra, việc cập nhật vị trí trạm di động đ−ợc thực hiện dựa trên thông tin về vị trí và trạng thái của thuê bao nhận đ−ợc từ trạm - 3 - gốc 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 l−u trữ thông tin thời gian hệ thống và thông tin vị trí của trạm gốc BS mà nó đăng ký tr−ớc đó. Khi máy di động di chuyển vào cell mới, nó sẽ tính toán khoảng cách giữa cell mới và cell cũ đăng kí tr−ớc đó. Nếu gọi: − LATc: vĩ độ cell hiện tại. − LONGc: kinh độ cell hiện tại. − LATp: vĩ độ cell đăng ký tr−ớc đó. − LONGp: kinh độ cell đăng ký tr−ớc đó. − Tp: thời gian hệ thống tr−ớc đó. − Tc: thời gian hệ thống hiện tại. Khi đó, khoảng cách giữa cell hiện tại và cell đăng ký tr−ớc đó đ−ợc tính bằng công thức sau: 16 22 longlat DIST Δ+Δ= (1) Trong đó: Δlat = LATc - LATp Δlong = (LONGc-LONGp) x ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 14400180 cos LATpxπ . Giả sử rằng giá trị r(i), là khoảng cách đến BS gần nhất, đ−ợc thay đổi nếu việc tính toán giá trị khoảng cách DIST trái ng−ợc yêu cầu hoặc v−ợt qua giá trị ng−ỡng. Máy trạm di động tiếp tục ở trạng thái chờ nếu nh− 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) đ−ợc tính theo công thức sau: E(v)= DIST/(Tc - Tp). Tiếp theo, chúng ta tính tỷ lệ cuộc gọi đến, đ−ợc tính theo hàm phân bố cuộc gọi đến, FT(t). Xác suất cuộc gọi đến (Pca) đ−ợc trong thời gian τ đ−ợc 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 tr−ớc đó; T là - 4 - chu kỳ cập nhật vị trí của thuê bao di động, thời gian mở rộng cập nhật tex là thời gian đ−ợc tính toán thông qua thuật toán logic mờ. Thuật toán hợp thành mờ sử dụng DIST và tỷ lệ cuộc gọi đến nh− là các biến đầu vào. Quá trì suy luận hợp thành mờ đ−ợc thực hiện tại từng thời điểm xác định. Cho dù thời gian suy luận mờ không v−ợc quá giá trị xác định nh−ng nếu r(i) thay đổi thì việc suy luận mờ cũng đ−ợc thực hiện. Kết quả là chu kỳ cập nhật vị trí đ−ợc thay đổi theo khoảng cách di chuyển của máy di động và tỷ lệ cuộc gọi đến. Ph−ơng pháp suy luận mờ (hợp thành mờ) sẽ đ−ợc 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 đ−ợc xác định dựa trên thông số đầu vào bộ mờ hoá và luật hợp thành mờ, luật Nếu....Thì.... Dữ liệu sau khi đ−a vào bộ mờ hoá sẽ chuyển đổi thành các biến ngôn ngữ mờ và đ−a 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 đ−ợc xây dựng. Các giá trị xác định 0 hay 1 sẽ đ−ợc 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 Hình 1: Thuật toán cập nhật vị trí thuê bao Ghi chú: NLUT: Thời gian lần cập nhật tiếp theo. ET: thời gian đã dùng - 5 - Logic 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 Pca D1 D2 D3 D4 Thấp PVL PM NS NM Trung bình PL PS NM NL Cao PS NM NL NVL 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 đ−ợc xác định theo hình vẽ sau: 3. Tính toán các chỉ tiêu hệ thống. 3.1 Mô hình tính toán: Để so sánh ph−ơng pháp đ−a ra và các ph−ơng pháp cập nhật vị trí thông th−ờng khác, chúng ta nghiên cứu trên mô hình mạng cell dạng lục giác. Trong mô hình này, phân bố Poison đ−ợc 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. Ph−ơng pháp cập nhật đ−ợc so sánh cùng là ph−ơng pháp cập nhật theo vùng, theo thời gian và theo khoảng cách. Các thông số tham khảo nh− sau: Thông số Mô tả Giá trị R Bán kính cell 0.2 Km V Vận tốc di chuyển của máy di động 2 ~ 80 Km/h NVL NS PS PM PL PVL NL NM tex μ 0.1 0.3 0.5 0.7 -0.1 -0.3 -0.5 -0.7 Hình 2: Hàm thuộc của thời gian bổ sung cho việc cập nhật vị trí. - 6 - λ Tỷ lệ cuộc gọi đến 2.8 calls/h L Bán kính vùng, trong ph−ơng pháp cập nhật theo vùng 1.0 Km D Khoảng cách cực đại, trong ph−ơng pháp cập nhật theo khoảng cách 1.2 Km T Thời gian cập nhật, trong ph−ơng pháp cập nhật theo thời gian 30 min. ext Thời gian cập nhật, trong ph−ơng pháp đề xuất -0.7T ~ 0.7T Bảng 2: Tham số tính toán. Việc chọn lựa các thông số L, D, T là hết sức quan trọng để đ−a ra sự so sánh chính xác giữa ph−ơng pháp cập nhật thông th−ờng và ph−ơng pháp cập nhật dùng logic mờ. Tuy nhiên, giá trị lý t−ởng của các thông số này không bao giờ đạt đ−ợc do đặc tính di chuyển của thuê bao di động. 3.2 Kết quả tính toán: Dựa trên các thông số đ−a ra trong bảng 2, chúng ta so sánh đ−ợc các ph−ơng pháp cập nhật vị trí thuê bao thông qua tổng hao phí báo hiệu, đ−ợc định nghĩa là hao phí báo hiệu nhắn tin tìm gọi và cập nhật vị trí thuê bao. Hình vẽ 3 cho thấy, ph−ơng 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 ph−ơng 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 v−ợt quá các tham số D và Z. Trong ph−ơng pháp đ−a 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) lo ca ti on u pd at e co s time-based distance-based zone-based proposed Hình 3: Hao phí cập nhật vị trí thuê bao - 7 - hơn hai ph−ơng 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 ph−ơng pháp cập nhật vị trí theo vùng hầu nh− không phụ thuộc vào đặc tính di động của thuê bao, còn ph−ơng pháp cập nhật theo thời gian có nh−ợc điểm là hao phí nhắn tin tìm gọi tăng rất nhanh khi tốc độ di chuyển của thuê bao tăng. Ph−ơng 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. Ph−ơng 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 đ−ợc 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 Ph−ớc, NXB Khoa học Kỹ thuật 1999 [4] “Hệ mờ và ứng dụng”, Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Ph−ớc, 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 2 10 20 30 40 50 60 70 80 velocity(km/hr) pa gi ng c os t time-based distance-based zone-based proposed 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) to ta l co st time-based distance-based zone-based proposed