Luận án Tiến sĩ: Điều khiển Tối ưu Luồng Video Điểm - Đa điểm trong Mạng 5G Siêu dày đặc

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Điều khiển tối ưu luồng video điểm - đa điểm trong mạng 5G siêu dày đặc” là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các kết quả và các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đều đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 02 năm 2021 Tác giả luận án Phan Thanh Minh ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận án tiến sĩ này, tôi đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ của Nhà trường, của người hướng dẫn khoa học, của đồng nghiệp và của gia đình.

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến PGS. Đặng Xuân Kiên, Viện trưởng Viện Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Giao thông vận tải TP HCM đã động viên, khuyến khích và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Võ Nguyên Sơn, là người thầy và cũng là đồng nghiệp đã tận tình hướng dẫn, định hướng và cùng tôi nghiên cứu trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án.

Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp cùng làm nghiên cứu ở Khoa Điện - Điện tử viễn thông, Trường Đại học Giao thông vận tải TP. HCM và Viện Nghiên cứu Khoa học Cơ bản và Ứng dụng, Trường Đại học Duy Tân, TP. HCM đã hỗ trợ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận án. Tôi xin cám ơn gia đình đã hỗ trợ, động viên và cùng đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án này.

Mặc dù đã cố gắng và nỗ lực trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án, nhưng do những hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian nên luận án có thể vẫn còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý quý giá của các nhà khoa học và bạn đọc để hoàn thiện luận án một cách tốt nhất cũng như tiếp tục cho các nghiên cứu sau này. Xin trân trọng cảm ơn! TP. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 02 năm 2021 Tác giả Phan Thanh Minh iii TÓM TẮT Sự bùng nổ của các mạng di động và Internet góp phần hiện thực hóa cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 trên toàn thế giới với xu hướng vạn vật kết nối Internet (IoT) ở nhiều lĩnh vực khác nhau.

Trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa và điều khiển, sự phát triển các công nghệ kết nối mạng hiện đại giúp việc kết nối các thiết bị ở nhiều vị trí khác nhau một cách đơn giản, nghĩa là các thành phần của hệ thống điều khiển được kết nối thông qua mạng truyền thông không dây một cách dễ dàng. Trong hệ thống điều khiển kết nối mạng (NCS – Networked Control System), việc kết nối không dây nhằm tăng tính linh hoạt, dễ dàng chẩn đoán và bảo trì hệ thống là xu hướng hiện nay của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Song song với sự phát triển công nghệ, các dịch vụ và ứng dụng ngày càng phát triển, đòi hỏi dữ liệu truyền thông cực lớn. Ước tính, vào năm 2023 sẽ có khoảng 5,3 tỷ người dùng kết nối Internet để trao đổi thông tin dữ liệu và chủ yếu là dữ liệu video (chiếm 79%).

Để đáp ứng được nhu cầu đó, ngoài việc nâng cấp hạ tầng mạng lõi (tốn khá nhiều chi phí), thì nâng cấp mạng di động không dây bằng các kiến trúc mới, công nghệ và kỹ thuật mới cũng được quan tâm. Cụ thể, mạng di động thế hệ thứ 5 với kiến trúc siêu dày đặc (UDN – Ultra-dense Network) được xem là đầy tiềm năng và là chìa khóa để bước vào kỷ nguyên IoT. Trong luận án này, tác giả nghiên cứu các kiến trúc mạng 5G UDN, các cải tiến công nghệ, kỹ thuật điều khiển, phân phối và quản lý trong 5G UDN như: thiết kế phân cụm (cluster), lưu trữ đa tầng (multi-tier); điều khiển phát đa hướng (multicast); kỹ thuật phân bổ và quản lý tài nguyên (resource allocation and management), kỹ thuật truyền thông phạm vi hẹp từ thiết bị đến thiết bị (D2D – Device-to-Device) để cải tiến hiệu quả phổ, mở rộng băng thông truyền, mở rộng phạm vi hoạt động của mạng. Ngoài ra, các kỹ thuật điều khiển lưu trữ (caching) và phân phối (delivering) video trong mạng 5G UDN cũng được tìm hiểu.

Từ đó đề xuất mô hình điều khiển tối ưu luồng dữ liệu video điểm - đa điểm trong mạng 5G UDN sử dụng các kỹ thuật lựa chọn thiết bị lưu trữ và thiết bị chia sẻ tài nguyên phổ tần xuống nhằm cực đại dung lượng trong hệ thống. Tiếp đó, mở rộng mô hình đề xuất bằng cách xem xét thêm các mối quan hệ xã hội người dùng và các ràng buộc về độ dao động dung lượng nhằm iv đảm bảo tính công bằng cao về chất lượng dịch vụ của người dùng. Cuối cùng, mở rộng mô hình đề xuất bằng cách xem xét thêm tầng lưu trữ để linh hoạt hơn trong việc lựa chọn nguồn cung cấp dữ liệu. Tất cả các hệ thống đề xuất được mô hình toán và mô phỏng trên máy tính dựa vào công cụ Matlab với giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithms) nhằm tăng tốc độ xử lý mà vẫn đảm bảo các kết quả tối ưu của bài toán.

Các kết quả mô phỏng chứng minh sự vượt trội của mô hình đề xuất so với các cơ chế thông thường khác. Từ khóa—điều khiển tối ưu, hệ thống điều khiển kết nối mạng, mạng 5G siêu dày đặc, luồng video, truyền thông từ thiết bị đến thiết bị, truyền thông điểm - đa điểm, vạn vật kết nối Internet. v ABSTRACT The mobile network explosion and the Internet development has contributed to the realization of the Industrial Revolution 4.0 all over the world with the trend of Internet of Things (IoT) in many different areas. In the automation and control industry, the development of modern networking technologies makes it simple to connect devices in many different locations, i., the controller system components are easily connected via wireless communication network.

In the Networked Control System (NCS), the wireless connection to increase flexibility, easily diagnose and maintain the system is the current trend of control and automation technology. With the development of technology, services and applications are increasingly developed, requiring extremely large data communication. It is estimated that by 2023 there will be about 5.3 billion users of mobile connected to the Internet to exchange information data, especially video data (accounting for 79%). To meet that demand, in addition to upgrading core network infrastructure (which costs highly), upgrading wireless mobile networks with new architectures, technologies and techniques is also taken great consideration.

Specifically, the 5th generation mobile network with Ultra-dense Networks (UDN) architecture is considered to be full of potential and the key to entering the IoT era. In this thesis, the author studies 5G UDN network architectures, technology innovations, control techniques, distribution and management in 5G UDN such as cluster, multi-tier, multicast, resource allocation and management techniques, device- to-device communication techniques to improve spectral efficiency, expand communication bandwidth, and expanding the network's range of activities. Furthermore, techniques for caching storage and delivering video in the 5G UDN are explored. Since then, we have proposed the optimal control of multicast video streaming in 5G UDN using techniques of caching selection and downlink resource sharing equipment to maximize capacity in the system.

Next, we have extended the proposal model via the social relationships and capacity variation constraints to assure the fairness of Quality of Service (QoS) for mobile users. Finally, we have broadened vi the proposed model by t adding a multi-tier caching storage for more flexibility in the data sources selection. All the proposed systems are modeled with algorithms and simulated on the computer with Matlab tool and Genetic Algorithms (GAs) to increase the processing speed while ensuring the optimal results of problems. The simulation results demonstrate the superiority of the proposed model compared to other normal benchmarks.

Index Terms—Optimal control, Networked Control System, 5G ultra-dense networks, video streaming, device-to-device (D2D) communications, multicast communications, Internet of Thing (IoT). vii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN. vii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.x DANH MỤC CÁC BẢNG. xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ.

xiii MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu, kết quả đạt được, ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Nhiệm vụ nghiên cứu. Kết quả đạt được. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Bố cục luận án.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI MẠNG. Tổng quan về hệ thống điều khiển kết nối mạng. Tổng quan về 5G UDN. Truyền video trong 5G UDN.

Truyền từ trạm nền. Truyền phối hợp đa tầng. Mô hình kênh truyền. Mô hình mối quan hệ xã hội người dùng.

Truyền video điểm - đa điểm. Hiện trạng các nghiên cứu về phân cụm, lựa chọn và truyền thông điểm - đa điểm. Tổng kết chương 1. THUẬT TOÁN DI TRUYỀN VÀ ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO.

Tổng quan về các thuật toán tìm kiếm tối ưu. Tổng quan về thuật toán GA. Giới thiệu GA. GA so với phương pháp truyền thống.

Lưu đồ và các thành phần của thuật toán di truyền. Lưu đồ thuật toán di truyền. Các thành phần của thuật toán di truyền. Kết thúc GA.

Một số bài toán ứng dụng GA trong điều khiển luồng video. Tổng kết chương 2. ĐIỀU KHIỂN LƯU TRỮ VÀ CHIA SẺ PHỔ TẦN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO ĐIỂM - ĐA ĐIỂM TRONG 5G UDN. Giới thiệu cơ chế DRS-CHS.

Sự cần thiết của cơ chế DRS-CHS. Hiện trạng các nghiên cứu liên quan đến D2DC điểm - đa điểm. Tính mới của cơ chế DRS-CHS. Mô hình và tính toán các thông số hệ thống DRS-CHS.

Mô hình hệ thống DRS-CHS. Tính toán các thông số của hệ thống DRS-CHS. Bài toán và giải pháp tối ưu DRS-CHS. Bài toán tối ưu DRS-CHS.

Giải pháp tối ưu DRS-CHS dùng GA. Đánh giá kết quả. Sự hội tụ của GA. Hiệu suất hệ thống DRS-CHS.

Kết luận chương 3. ĐIỀU KHIỂN LƯU TRỮ VÀ CHIA SẺ PHỔ TẦN TỐI ƯU LUỒNG VIDEO ĐIỂM - ĐA ĐIỂM DỰA TRÊN MỐI QUAN HỆ XÃ HỘI NGƯỜI DÙNG TRONG 5G UDN. Giới thiệu cơ chế SSC. Sự cần thiết của cơ chế SSC.

Hiện trạng các nghiên cứu liên quan đến phân cụm, lựa chọn CH, và truyền thông điểm - đa điểm kết hợp D2DC. Tính mới của cơ chế SSC. Mô hình và tính toán các thông số hệ thống SSC. Mô hình hệ thống SSC.

Tính toán các thông số hệ thống SSC. Bài toán tối ưu SSC và giải pháp dùng GA. Bài toán tối ưu SSC. Giải pháp tối ưu SSC dùng GA.

Đánh giá kết quả. Sự hội tụ của GA. Hiệu suất của hệ thống SSC. Kết luận chương 4.