Phát triển thuật toán tiến hóa giải một số bài toán tối ưu trong mạng không dây

Những thách thức cơ bản cần đối mặt trong tối ưu mạng được xây dựng dựatrên thực tế là nhiều vấn đề liên kết với nhau cần được xem xét cùng một lúc.Trong đó, truyền thông không dây đã ch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Gia Như

PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN

TIẾN HÓA GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN TỐI ƯU TRONG MẠNG KHÔNG DÂY

LUẬN ÁN TIẾN SỸ TOÁN HỌC

Hà Nội - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Gia Như

PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN TIẾN HÓA GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN TỐI

ƯU TRONG MẠNG KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho Tin học

Mã số: 62460110

LUẬN ÁN TIẾN SỸ TOÁN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Lê Trọng Vĩnh

2 PGS.TSKH Nguyễn Xuân Huy

Hà Nội - 2015

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan luận án "Phát triển thuật toán tiến hóa giải một sốbài toán tối ưu trong mạng không dây" là công trình nghiên cứu của riêngtôi Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực vàchưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tác giả:

Hà Nội:

Lời cảm ơn

Trước hết, tôi muốn cảm ơn PGS.TS Lê Trọng Vĩnh, PGS.TSKH NguyễnXuân Huy - những người đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn tôi trong suốt thờigian học tập và thực hiện luận án này Một vinh dự lớn cho tôi được học tập,nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình, khoa học của hai Thầy

Tôi xin gửi lời cám ơn đến các Thầy, Cô trong Bộ môn Tin học, Khoa Cơ-Tin học vì sự giúp đỡ và những đề xuất, trao đổi trong nghiên cứu rất hữu íchcho luận án Xin cảm ơn các Thầy, Cô và các anh chị em đã góp ý, cổ vũ độngviên và sát cánh bên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Toán-Tôi trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Sau Đại học trường Đại họcKhoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôitrong suốt quá trình thực hiện luận án Tôi cũng bày tỏ sự cảm ơn đến Hội đồngquản trị, Ban giám hiệu trường Đại học Duy Tân đã tạo điều kiện về thời gian và

hỗ trợ kinh phí cho tôi hoàn thành luận án này

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình và người thân đã luônđộng viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án

Mục lục

1.1 Mạng không dây 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Phân loại 6

1.1.2.1 Mạng cá nhân không dây 6

1.1.2.2 Mạng cục bộ không dây 6

1.1.2.3 Mạng Ad-hoc 8

1.1.2.4 Mạng đô thị không dây 9

1.1.2.5 Mạng lưới không dây 10

1.1.3 Sự phát triển của mạng thông tin di động 13

1.2 Các vấn đề của tối ưu mạng 20

1.2.1 Các vấn đề mở đối với mạng không dây 22

1.2.2 Bài toán tối ưu 25

1.3 Các thuật toán tiến hóa 26

1.3.1 Thuật toán di truyền 27

1.3.2 Thuật toán tối ưu hóa đàn kiến 31

1.3.3 Thuật toán tối ưu hóa nhóm bầy 34

1.3.3.1 Giới thiệu chung 34

1.3.3.2 Các thành phần cơ bản của thuật toán 36

1.3.3.3 Thuật toán PSO dạng Constriction 37

1.3.3.4 Thuật toán PSO–TVIW và PSO–RANDIW 38

1.3.3.5 Thuật toán PSO-TVAC 39

1.3.3.6 Thuật toán MPSO–TVAC 40

1.3.3.7 Thuật toán SOHPSO–TVAC 40

1.3.3.8 Sự kết hợp giữa phương pháp PSO và các phương pháp khác 41

1.3.3.9 Thuật toán SWT-PSO 42

1.3.3.10 Thuật toán PSO tổng quát 44

1.4 Kết chương 46

2 Tối ưu thông lượng trong mạng 47 2.1 Tối ưu thông lượng trong mạng lưới không dây 47

2.1.1 Mô hình hóa và phát biểu bài toán 48

2.1.1.1 Kiến trúc hệ thống 48

2.1.1.2 Mô hình truyền thông 49

2.1.1.3 Thông lượng 50

2.1.1.4 Trọng số MTW 50

2.1.1.5 Chia sẻ hiệu suất sử dụng các Gateway 52

2.1.1.6 Lập trình tính toán thông lượng 54

2.1.1.7 Phân tích, đánh giá các phương pháp 59

2.1.2 Đặt gateway hiệu quả sử dụng thuật toán PSO 59

2.1.2.1 Biểu diễn của một phần tử 60

2.1.2.2 Khởi tạo quần thể ban đầu 60

2.1.2.3 Hàm đo độ thích nghi 60

2.1.2.4 Quá trình tiến hóa 61

2.1.2.5 Quá trình dừng 61

2.1.2.6 Mô tả thuật toán 61

2.1.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá 61

2.1.3.1 Tham số mô phỏng 61

2.1.3.2 Kết quả mô phỏng 62

2.2 Truyền thông Broadcast và cây truyền thông tối ưu 65

2.2.1 Bài toán cây khung truyền thông tối ưu 66

2.2.2 Các nghiên cứu liên quan 68

2.2.2.1 Mã hóa tập cạnh 69

2.2.2.2 Mã hóa Prufer 70

2.2.2.3 Mã hóa liên kết cạnh và nút (LNB) 70

2.2.2.4 Mã hóa NetKeys 70

2.2.2.5 Mã hóa CB-TCR 70

2.2.3 Tối ưu cây khung truyền thông sử dụng thuật toán PSO 71

2.2.3.1 Mã hóa và giải mã 71

2.2.3.2 Mô tả thuật toán 73

2.2.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá 74

2.2.4.1 Tham số thực nghiệm 74

2.2.4.2 Kết quả mô phỏng 75

2.3 Kết chương 76

3 Tối ưu truy cập mạng 78 3.1 Đặt trạm cơ sở trong mạng thông tin di động 79

3.1.1 Mô hình hóa và phát biểu bài toán 79

3.1.2 Các nghiên cứu liên quan 81

3.1.3 Tối ưu đặt trạm điều khiển sử dụng thuật toán PSO 85

3.1.3.1 Mã hóa cá thể 85

3.1.3.2 Mô tả thuật toán 87

3.1.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá 87

3.1.4.1 Mô hình thực nghiệm và thiết lập tham số cho các thuật toán 87

3.1.4.2 Phân tích, đánh giá các thuật toán 87

3.1.4.3 Áp dụng thử nghiệm tại thành phố Đà Nẵng 90

3.2 Tối ưu truy cập tập trung trong mạng không dây 94

3.2.1 Mô hình hóa và phát biểu bài toán 95

3.2.2 Các nghiên cứu liên quan 98

3.2.3 Tối ưu truy cập tập trung sử dụng thuật toán PSO 99

3.2.3.1 Mã hóa cá thể 99

3.2.3.2 Mô tả thuật toán 99

3.2.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá 100

3.2.4.1 Mô hình thực nghiệm và thiết lập tham số cho các thuật toán 100

3.2.4.2 Phân tích, đánh giá các thuật toán 100

3.3 Kết chương 101

Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án 104

Danh mục từ viết tắt

Viết tắt Dạng đầy đủ Diễn giải

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia tần số

GSMC Gateway Mobile Service Center Trung tâm dịch vụ di động

MTW Multihop Traffic-flow weight Trọng số lưu lượng đa chặng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng LAN không dâyWMAN Wireless Metropolitan Area Network Mạng di động đô thị

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây

Danh mục bảng

2.1 Tính toán hiệu suất chia sẻ giữa các gateway 53

2.2 Các tham số thiết lập khi chạy thuật toán 62

2.3 So sánh thông lượng đạt được khi đặt gateway theo thuật toán GA, PSO, ACO và MTW 62

2.4 So sánh thông lượng thấp nhất của mỗi client khi đặt gateway theo thuật toán GA, PSO, ACO và MTW 63

2.5 So sánh thông lượng trung bình của các gateway theo thuật toán GA, PSO, ACO và MTW 63

2.6 Bộ dữ liệu mạng của 12 nút và 40 cạnh 73

2.7 Các tham số thiết lập khi chạy thuật toán 75

2.8 So sánh kết quả thực thi của các thuật toán trên bộ dữ liệu chuẩn 76

3.1 Qui ước các ký hiệu dùng trong bài toán TA 79

3.2 Qui ước các ký hiệu dùng trong bài toán đặt trạm điều khiển 80

3.3 Ví dụ về bài toán TA 82

3.4 Thông tin về bộ dữ liệu thực nghiệm đặt trạm điều khiển 88

3.5 Các tham số thiết lập khi chạy thuật toán 88

3.6 So sánh hàm mục tiêu của các thuật toán 88

3.7 Đề xuất qui hoạch trạm BTS tại Đà Nẵng 94

3.8 Định nghĩa các ký hiệu dùng trong bài toán truy cập tập trung 95

3.9 Thông tin về bộ dữ liệu thực nghiệm tối ưu truy cập 100

3.10 Các tham số thiết lập khi chạy thuật toán 100

Danh mục hình vẽ

1.1 Kiến trúc mạng lưới không dây 10

1.2 Kết nối điểm-điểm 12

1.3 Kết nối điểm–đa điểm 12

1.4 Kết nối đa điểm – đa điểm 12

1.5 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM 13

1.6 Lộ trình phát triển của thông tin di động 14

1.7 Kiến trúc mạng di động không dây 15

1.8 Quá trình quy hoạch mạng 22

1.9 Sơ đồ tổng quát của thuật toán di truyền 29

1.10 Thí nghiệm đàn kiến 1 31

1.11 Thí nghiệm đàn kiến 2 32

1.12 Sơ đồ tổng quát của thuật toán tối ưu đàn kiến 33

1.13 Quy luật chuyển động của bầy đàn 35

1.14 Quy luật tìm tổ của bầy đàn 35

1.15 Vị trí cá thể trong quần thể 36

1.16 Sơ đồ tổng quát của thuật toán PSO 45

2.1 Kiến trúc mạng WMN có các gateway 48

2.2 Ví dụ về tính Multi-hop Traffic-Flow Weight 51

2.3 Ví dụ về tính hiệu suất chia sẻ giữa các gateway 53

2.4 Một kế hoạch lập lịch TDMA trong truyền thông lõi với SRD=3 55

2.5 Ví dụ về lập lịch lưu lượng trong truyền thông lõi 56

2.6 Một kế hoạch lập lịch phân chia khe thời gian trong truyền thông cục bộ với CRF=4 58

2.7 So sánh thông lượng trung bình của Client trong kịch bản 4 64

2.8 So sánh thông lượng trong trường hợp xấu nhất của kịch bản 4 64

2.9 So sánh thông lượng trung bình của Client trong kịch bản 5 64

2.10 So sánh thông lượng trong trường hợp xấu nhất của kịch bản 5 65

2.11 Các cây khung 66

2.12 Trường hợp của Palmer 6 nút 68

2.13 Hai cây khung truyền thông của Palmer 6 nút 68

2.14 Ma trận khoảng cách của đồ thị G 72

2.15 Ma trận khoảng cách của đồ thị G sau khi biến đổi 72

2.16 Cây khung tối ưu mới được xây dựng 72

2.17 Mạng truyền thông tối ưu với 12 nút và 40 cạnh 73

2.18 So sánh tổng thời gian trễ trung bình của các thuật toán với các cách mã hóa khác nhau 75

2.19 So sánh thời gian xử lý của các thuật toán với lớp bài toán Palmer 77

2.20 So sánh thời gian xử lý của các thuật toán với lớp bài toán Raidl 77

2.21 Kết quả so sánh hàm mục tiêu giữa các thuật toán 77

3.1 Bài toán đặt trạm điều khiển trong mạng không dây 81

3.2 Phương án tối ưu vị trí các trạm BSC của thuật toán Greedy 82

3.3 Phương án tối ưu của bài toán TA 84

3.4 Đồ thị cấu trúc của bài toán đặt trạm BSC 86

3.5 So sánh thời gian thực hiện của các thuật toán 89

3.6 So sánh các phương án tối ưu của bài toán #4 giữa các thuật toán 89

3.7 Kiến trúc mạng truy cập không dây 94

3.8 Mô hình mạng truy cập không dây 95

3.9 Mô hình mạng truy cập không dây theo kiến trúc cây 96

3.10 So sánh hàm mục tiêu giữa các thuật toán 101

3.11 So sánh thời gian thực thi giữa các thuật toán 101

Mở đầu

Ngày nay, mạng máy tính đã trở thành một cơ sở hạ tầng quan trọng trongnền kinh tế toàn cầu và sự ra đời của Internet đã làm thay đổi mạnh mẽ của cuộcsống con người Trong cuộc cách mạng này, bên cạnh sự tiến bộ về mặt công nghệthì vai trò của việc nghiên cứu và đề xuất các thuật toán mới cũng có ý nghĩahết sức quan trọng Để đưa ra được giải pháp hữu hiệu cho một vấn đề thực tếcần sự hiểu biết cả lý thuyết thuật toán và các phương tiện kỹ thuật Một trongnhững vấn đề đáng quan tâm nhất của mạng máy tính là hiệu năng mạng Hiệunăng mạng tốt nhất là mục tiêu hướng đến của những nhà nghiên cứu, phát triển

và quản trị mạng Để có hiệu năng mạng tốt cần thiết phải có những giải pháp

về mặt thuật toán nhằm tối ưu hóa mạng Tối ưu hóa mạng máy tính được xem

là quá trình cân bằng tốt nhất giữa hiệu năng mạng máy tính và chi phí mạng,trong mối tương quan với chất lượng dịch vụ mạng [7,47]

Những thách thức cơ bản cần đối mặt trong tối ưu mạng được xây dựng dựatrên thực tế là nhiều vấn đề liên kết với nhau cần được xem xét cùng một lúc.Trong đó, truyền thông không dây đã chứng tỏ tầm quan trọng của nó trong thờigian qua như là nền tảng điều khiển của sự phát triển kinh tế, đầu tiên là theohình thức mạng di động và gần đây là cho các mạng máy tính (WiFi, WiMax ).Trong thập kỷ tới có thể nó sẽ mang lại sự phát triển một cách đột phá Mức độphát triển đầy đủ của chúng không thể dự đoán nhưng chắc chắn sẽ bao gồm:

1 Các dịch vụ băng thông rộng: các dịch vụ “triple-play” (giọng nói, dữ liệu,video) ở tốc độ lên tới 1Gbit/s cho người dùng trong một môi trường tùy ý

2 Khả năng tính toán ở mọi nơi: Tính thông minh được phân phối trong mộttập hợp các thiết bị hoạt động một cách tự chủ

3 Các mạng cảm biến không dây cho việc giám sát và cảm nhận môi trường

Để làm được những điều trên, chúng ta cần phải giải quyết trong tương laicác vấn đề chính sau đây:

1 Quản lý tài nguyên và độ phổ thông minh:

(a) Vấn đề các chiến lược định tuyến: Với mật độ gia tăng của độ phổ sửdụng một khoảng không gian sẽ trở nên tắc nghẽn và không thể địnhtuyến một tín hiệu thông qua chúng Nghiên cứu cần xem xét các chiếnlược định tuyến nhận ra nhiễu và khai thác kiến thức về các kênh sóng

vô tuyến vật lý qua mạng để định tuyến các tín hiệu nhằm tránh tắcnghẽn đang tồn tại, và tránh việc tạo ra khu vực bị tắc nghẽn mới

Bằng cách hiểu các thuộc tính của các kênh sóng vô tuyến, QoS có thểđược quản lý một cách hiệu quả hơn và các kênh cũng được sử dụnghiệu quả hơn.

(b) Sự cung cấp băng thông thông minh: Đây là một thách thức chínhtrong các mạng không dây ở thế hệ sau, nó được xem xét không tầmthường và hầu như chưa được giải quyết hoàn toàn Các giải pháp chocấp phát băng thông động là cần thiết để hỗ trợ các dịch vụ đa phươngtiện đã được tích hợp với các yêu cầu QoS Trong khi đó, việc cực đạithông lượng mạng không liên quan đến sự thay đổi về lưu lượng

2 Các mạng di động không đồng nhất: Việc định tuyến các gói tin có quan hệvới nhau để kết nối chuyển giao giữa các vùng Các thuật toán định tuyếntruyền thống không xem xét đầy đủ khoảng thời gian có thể cho việc truycập bởi các thiết bị đầu cuối trong suốt quá trình xử lý chuyển giao Đó làmong muốn để tạo ra các thuật toán định tuyến mới có thể duy trì hiệu suấtend-to-end với những cân nhắc đầy đủ về quá trình bàn giao trong mạngkhông đồng nhất Như vậy việc hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực là đặcbiệt quan trọng trong mạng như VoIP, truyền video,

3 Vấn đề an ninh cho mạng không dây:

(a) Việc sử dụng các tài nguyên không dây cho các ứng dụng an ninh:Thách thức đặt ra ở đây là làm sao để sử dụng các tài nguyên đang tồntại trong các mạng không dây hỗ trợ ứng dụng liên quan tới an ninh

Ví dụ Radar tự động và màn hình giám sát dựa trên mệnh lệnh.(b) Kỹ thuật bảo mật cho các mạng không dây: Các vấn đề chính được xácđịnh cho việc thiết kế của các hệ thống như là: tính tỉ lệ, độ phức tạp

và hiệu quả; độ vững chắc; các kỹ thuật an ninh mạng cho các mạngkhông dây; và các kỹ thuật riêng biệt cho việc thiết kế an ninh trongmạng ad-hoc và các mạng điểm tới điểm

Trong thực tế, các bài toán tối ưu mạng thường gặp là các bài toán tối ưu

tổ hợp, trong đó phải tìm các giá trị cho các biến rời rạc để làm cực trị hàm mụctiêu nào đó [14] Đa số các bài toán này thuộc lớp NP-khó Trừ các bài toán cỡnhỏ có thể tìm lời giải bằng cách tìm kiếm vét cạn, còn lại thường không thể tìmđược lời giải tối ưu với các thuật toán có độ phức tạp đa thức Đối với các bàitoán có không gian tìm kiếm lớn không có phương pháp giải đúng [69], thì cáchtiếp cận phổ biến nhất hiện nay là dựa trên các kỹ thuật gần đúng sau:

1 Tìm kiếm heuristic, dựa trên phân tích toán học; người ta đưa ra các quytắc định hướng tìm kiếm một lời giải đủ tốt [39]

2 Sử dụng các kỹ thuật tìm kiếm cục bộ để tìm lời giải tối ưu địa phương như:Local Search, tìm kiếm Harmony, tìm kiếm Tabu [25]

3 Tìm lời giải gần đúng nhờ các thuật toán mô phỏng tự nhiên như phỏngtôi luyện (Simulated Annealing-SA) [37], giải thuật di truyền (Genetic Algo-rithm-GA) [26,53], tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization-PSO) [33],tối ưu hóa đàn kiến (Ant Colony Optimization-ACO) [16], .

Hai cách tiếp cận đầu thường cho lời giải nhanh nhưng không thể làm rõ lờigiải tìm được, nên cách tiếp cận thứ ba đang được sử dụng rộng rãi cho các bàitoán cỡ lớn Trong cách tiếp cận thứ ba, thuật toán đàn kiến ACO được Dorio giớithiệu năm 1999 [16] đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi giải các bài toánkhó với các thông tin phân tán GA được John Holland đề xuất năm 1975 [26],dựa trên quá trình tiến hóa tự nhiên, đã được biết rất nhiều với trong việc giảicác bài toán tối ưu toàn cục do sử dụng các thông tin toàn cục Tuy nhiên cácphép toán di truyền (lai ghép và đột biến) trong quá trình tiến hóa thường tiêutốn nhiều thời gian Vì vậy, Eberhart và Kennedy đã đưa ra một kỹ thuật mới gọi

là “tối ưu hóa theo nhóm bầy” (PSO) [33], phỏng theo hành vi của các bầy chimhay các đàn cá tìm thức ăn, nhằm khử các quá trình này Với các lý do như vậy,trong cách tiếp cận của luận án, chúng tôi sẽ sử dụng thuật toán PSO để giải bàitoán quy hoạch mạng

Thêm nữa, khoảng một thập kỷ nay, công nghệ không dây đã và đang pháttriển không ngừng, đem lại vô số tiện lợi cho người dùng và đang thay thế hầuhết các mạng hữu tuyến hiện nay trong mọi lĩnh vực của cuộc sống xã hội Vì vậy,Luận án tập trung giải quyết một lớp vấn đề về tối ưu trên mạng không dây vớicách tiếp cận thuật toán tiến hóa PSO và hướng tới ba mục tiêu như sau:

(i) Tối ưu thông lượng trong mạng lõi : mạng lõi (Core network -CN) đóng vaitrò quan trọng trong việc quyết định năng lực phục vụ cũng như khả năngnâng cấp mạng Tất cả các nhu cầu xuất phát từ phần mạng truy nhậpđều phải thông qua xử lý của phần mạng lõi, và bất cứ những sự thayđổi nào cũng đều dựa trên khả năng phục vụ của phần CN Vì vậy việcnghiên cứu tính toán và tối ưu dung lượng mạng lõi CN là hết sức quantrọng [11, 28, 55,60, 61, 65,66, 73]

(ii) Tối ưu thông lượng trong mạng lưới không dây: Để xác định vị trí gatewaynhằm đạt thông lượng cực đại, một độ đo hiệu năng được sử dụng gọi làMultihop Traffic flow weight nhằm tính toán những nhân tố ảnh hưởng đếnthông lượng của mạng WMNs [4, 45, 59,64]

(iii) Tối ưu truy cập trong mạng không dây: Xác định các base station trong mạngkhông dây là một trong những khâu quan trọng của quá trình thiết kế mạngkhông dây Việc định vị các base station trong mạng không dây liên quanđến nhiều yếu tố khác nhau như lưu lượng mạng , kênh truyền, kịch bản canthiệp, số lượng Base Stations và các thông số quy hoạch mạng khác Sau khitối ưu được vị trí các trạm Base Stations, công việc tiếp theo chúng tôi tiếpcận là tối ưu truy cập tập trung trong mạng không dây với sự kết hợp giữacác BTS, MSC và LE [2, 21,23, 24, 42,47, 49, 50, 74]

Với các mục tiêu hướng đến như đã phân tích ở trên, cấu trúc của luận ánđược tổ chức như sau:

- Chương 1: Trình bày tổng quan về tối ưu mạng Trong chương này, phầnđầu luận án giới thiệu tổng quan về mạng không dây, các vấn đề của tối ưumạng Tiếp theo, luận án trình bày các thuật toán tiến hóa như: giải thuật

di truyền (GA), tối ưu hóa đàn kiến (ACO) và thuật toán tối ưu bầy đàn(PSO) Đây là những cách tiếp cận hiệu quả để giải quyết các bài toán tối

ưu mạng Và cuối cùng là kết chương tóm tắt lại các vấn đề đã giới thiệutrong Chương 1

- Chương 2: Luận án tập trung nghiên cứu và phân tích hai bài toán đặtgateway hiệu quả trong mạng lưới không dây và bài toán cây truyền thôngtối ưu nhằm tối thiểu hóa việc sử dụng tài nguyên với đặt trưng truyền thôngbroadcast trong các mạng di động Từ đó, đề xuất thuật toán nhóm bầy đểtối ưu thông lượng của các client trong mạng không dây dựa trên việc thiếtlập vị trí các Router hợp lý Sau đó, luận án giải quyết bài toán cây khungtruyền thông tối ưu được áp dụng trong truyền thông Broadcast

- Chương 3 Luận án nghiên cứu và giải quyết hai bài toán quy hoạch mạng

di động Đó là bài toán định vị các trạm thu phát cơ sở và tối ưu hóa truycập Với mục tiêu hướng đến là tối thiểu chi phí kết nối giữa các thiết bịtrong mạng

Những đóng góp của luận án và một số kết quả chính đã đạt được là:

1 Mô hình hóa bốn bài toán quy hoạch mạng dưới dạng các bài toán tối ưuhóa tổ hợp gồm:

(i) Cây truyền thông tối ưu;

(ii) Đặt gateway hiệu quả trong mạng lưới không dây;

(iii) Đặt trạm cơ sở trong mạng di động đáp ứng yêu cầu dung lượng ngườidùng với ràng buộc khả năng cung cấp băng thông của các trạm cơ sở;(iv) Tối ưu hóa truy cập tập trung thỏa mãn các yêu cầu người dùng, giớihạn về khả năng kết nối, băng thông của các switch chuyển mạch cũngnhư các trạm cơ sở

2 Đề xuất cách mã hóa và giải mã mới (mã hóa dựa trên số nguyên và mã hóadựa trên số thực) phù hợp của các cá thể đối với thuật toán PSO để giảiquyết các bài toán

3 Mô phỏng thực nghiệm, phân tích ưu nhược điểm của các cách tiếp cận (GA,PSO, ACO) đối với các bài toán

Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố trong 2 bài báo đăngtrong kỷ yếu hội nghị quốc tế, 2 bài báo đăng trên các tạp chí quốc tế, 1 bài đăngtrên tạp chí trong nước và 4 bài trong kỷ yếu hội quốc gia chuyên ngành

Chương 1

Tổng quan về tối ưu mạng

Xã hội càng phát triển nhu cầu truyền thông của con người ngày càng cao,mọi người muốn mình có thể được kết nối với thế giới vào bất cứ lúc nào, từ bất

cứ nơi đâu Đó chính là lý do mạng không dây ra đời và liên tục được tập trungnghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua Do những lợi ích về tính linh hoạt

và tiện lợi khi sử dụng nên các chuẩn không dây ngày càng được ứng dụng phổbiến, mỗi chuẩn kỹ thuật đều có những ưu và nhược điểm về phạm vi phủ sóng,tốc độ truyền dữ liệu, yêu cầu về thời gian thực, Tuỳ từng yêu cầu cụ thể màchúng ta sử dụng các kỹ thuật khác nhau Hiện nay, hệ thống mạng không dây đãđược triển khai rộng rãi nhất trên toàn thế giới Thành công của các mạng khôngdây do tính hiệu quả, giá thành rẻ, dễ dàng lắp đặt, triển khai mà vẫn đảm bảotốc độ truyền dữ liệu khá cao

Ra đời trong bối cảnh nhu cầu liên lạc giao tiếp xã hội ngày càng cao, các ứngdụng truyền thông đa phương tiện đang khẳng định vai trò và ý nghĩa quan trọngcủa mình một cách mạnh mẽ Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện xuấthiện ở nhiều nơi, nhiều lúc và trong nhiều lĩnh vực, từ đời sống thường nhật, giaotiếp liên lạc, giải trí và giáo dục: VoIP, Movie Streaming, Video Conference, Do

đó sự kết hợp giữa tính linh hoạt và tiện lợi của mạng không dây và nhu cầu sửdụng lớn của các ứng dụng đa phương tiện trở thành một xu hướng tất yếu, đầytiềm năng Với những tiến bộ của công nghệ hình ảnh, âm thanh cùng với mongmuốn của người dùng thì các ứng dụng đa phương tiện luôn luôn có nhu cầu sửdụng đường truyền cả về tốc độ và chất lượng vượt trước khả năng đáp ứng củaphương tiện Đây chính là vấn đề mà bài toán tối ưu mạng cần phải giải quyết

1.1.1 Khái niệm

Mạng không dây (Wireless Network ) là một khái niệm rất rộng, nó tương

tự như mạng có dây mà chúng ta đã biết nhưng có một điểm khác nhau quantrọng là mạng không dây dùng sóng để làm phương tiện truyền dẫn chủ yếu Nếu

sự phân loại của mạng có dây dựa vào quy mô hoạt động cũng như phạm vi ứng

dụng như: mạng LAN (Local Area Network ), WAN (Wide Area Networks), thìđối với hệ thống mạng không dây, chúng ta cũng có sự phân loại theo quy mô vàphạm vi phủ sóng tương tự như hệ thống mạng hữu tuyến đó là mạng WPAN(Wireless Personal Area Network ) theo chuẩn IEEE 802.15 dành cho mạng cánhân, WLAN (Wireless Local Area Network) IEEE 802.11 dành cho mạng cục bộ,WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) IEEE 802.16 dành cho mạng đôthị và mạng WWAN (Wireless Wide Area Networks) IEEE 802.20 cho mạng diệnrộng Sau đây tác giả sẽ giới thiệu tóm tắt một số đặc điểm chính của các mạngkhông dây [9, 17].

1.1.2 Phân loại

1.1.2.1 Mạng cá nhân không dây

Công nghệ Bluetooth chỉ được truyền thông trong mạng WPAN Mặc dù nó

đã được phát triển từ giữa những năm 1990, nhưng mãi đến năm 2002 nó mớitrở nên thông dụng ở các thiết bị từ máy tính xách tay đến các thiết bị hỗ trợ cánhân không dây Công nghệ Bluetooth hiện đang có xu hướng sử dụng thay thếcáp ngoại vi cho một số các thiết bị, hơn là công cụ nhằm cho phép một số lượnglớn các thiết bị trong nhà hoặc văn phòng cho phép giao tiếp trực tiếp với nhaukhông cần dây cáp

Viện công nghệ Điện và Điện tử IEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers) đã đưa ra chuẩn 802.15 và được sử dụng trong mạng WPAN với cáctốc độ truyền dữ liệu khác nhau : 802.15.1 với tốc độ truyền dữ liệu trung bình,trong khi 802.15.3 có tốc độ truyền dữ liệu cao và 802.15.4 có tốc độ truyền thấp.IEEE 802.15.1 đặc tả công nghệ Bluetooth đã được thiết kế để cho phép kết nốikhông dây băng thông hẹp, cho phép các thiết bị máy tính xách tay, chuột, bànphím, máy in, tai nghe, điện thoại di động, truyền thông với nhau [34]

1.1.2.2 Mạng cục bộ không dây

WLAN là một mạng cục bộ kết nối hai hay nhiều máy tính với nhau thôngqua việc sử dụng sóng hồng ngoại hoặc sóng vô tuyến để truyền nhận dữ liệu [68].WLAN hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong các tòa nhà, trường học, bệnhviện, công ty và công cộng, Có hai công nghệ chính được sử dụng để truyền thôngtrong WLAN là truyền thông bằng tia hồng ngoại hoặc truyền thông bằng sóng

vô tuyến, thông thường thì sóng radio được dùng phổ biến hơn vì nó truyền xahơn, lâu hơn, rộng hơn, và có băng thông cao hơn LAN cũng có hai dạng kiếntrúc là WLAN có cơ sở hạ tầng (sử dụng các Access Point hoặc trạm cơ sở BaseStation) để kết nối phần mạng không dây với phần mạng có dây truyền thống vàmạng không có cơ sở hạ tầng (mạng Ad-hoc) [72]

Mạng WLAN có ưu điểm khi truy cập mạng không cần phải có dây cáp màchỉ cần một điểm truy cập mạng (Access Point kết nối với Internet ) nên việc tạo

ra một mạng không dây là nhanh chóng và đơn giản đối với người sử dụng Nócho phép người dùng có thể dễ dàng truy xuất tài nguyên từ bất cứ nơi đâu trongvùng phủ sóng mạng (một tòa nhà hay các văn phòng trong công ty, ) Đặc biệthiện nay các thiết bị di động nhỏ và dễ dàng di chuyển như PDA, máy tính xáchtay có hỗ trợ bộ thu phát vô tuyến ngày càng được sử dụng nhiều thì đây là mộtđiều vô cùng thuận lợi Khả năng linh động của mạng không dây được thể hiện rõnhất ở việc người dùng có thể truy cập mạng ở bất cứ nơi đâu Không giống nhưmạng có dây truyền thống, để thiết lập mạng chúng ta cần có những tính toán cụthể cho từng mô hình rất phức tạp thì với mạng không dây, chỉ cần các thiết bịtuân theo một chuẩn nhất định và một điểm truy cập, hệ thống mạng đã có thểhoạt động bình thường Với mạng không dây, khi có thêm các nút mới gia nhậpmạng, điều đó rất là dễ dàng và tiện lợi; chỉ cần bật bộ thu phát không dây trênthiết bị đó và kết nối Nếu có thiên tai, hay một sự cố nào đó, việc một mạng

có dây bị phá hủy, không thể hoạt động là điều hoàn toàn bình thường, gần nhưkhông thể tránh được Trong những điều kiện như vậy, mạng không dây vẫn cóthể hoạt động bình thường hoặc được thiết lập lại một cách nhanh chóng

Nhược điểm của WLAN là vấn đề an toàn và bảo mật dữ liệu trong mạngkhông dây Do truyền thông trong mạng không dây là truyền thông trong mộtmôi trường truyền lan phủ sóng cho nên việc truy cập tài nguyên mạng trái phép

là điều khó tránh khỏi So với mạng có dây thì tính bảo mật của mạng khôngdây là kém hơn Do đó, vấn đề bảo mật cho mạng không dây là vấn đề vô cùngquan trọng và được đặc biệt quan tâm Vì các thiết bị sử dụng sóng vô tuyến đểtruyền thông nên việc bị nhiễu, hiện tượng biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang(fading), tín hiệu bị suy giảm do tác động của các thiết bị khác như lò vi sóng ảnhhưởng của môi trường thời tiết là không tránh khỏi Các hiện tượng đó làm giảmđáng kể hiệu quả hoạt động của mạng Chất lượng dịch vụ của mạng không dâykém hơn so với mạng có dây vì mạng không dây có tốc độ chậm hơn (chỉ đạt từ1-10Mbit/s), độ trễ cao hơn, tỉ lệ lỗi cũng nhiều hơn (tỉ lệ lỗi là 10-4 so với 10-10của mạng sử dụng cáp quang) Tuy vậy, theo một số chuẩn mới, ở một số môitrường truyền đặc biệt, việc truyền thông trong mạng không dây cũng có thể đạtđược tốc độ cao hơn đáng kể, ví dụ như trong chuẩn 802.11n việc truyền thông cóthể đạt tốc độ từ 100-200Mbit/s Vấn đề chi phí cho các thiết bị của mạng WLAN

có giá thành cao hơn khá nhiều so với các thiết bị mạng có dây, điều này là mộttrở ngại cho sự phát triển của mạng không dây Tiếp đó là vấn đề độc quyền trongcác sản phẩm Nhiều thiết bị và sản phẩm chỉ có thể hoạt động được nếu sử dụngphần cứng hoặc phần mềm của công ty sản xuất nào đó, và phải hoạt động theoquy định của quốc gia mà nó đang được sử dụng Các tần số phát cũng được cácquốc gia quy định nhằm tránh việc xung đột sóng vô tuyến của các mạng khácnhau Do đó, việc sản xuất các sản phẩm cho mạng WLAN cần phải chú ý đếnquy định của từng quốc gia Cuối cùng là phạm vi phủ sóng của mạng không dây,

các mạng không dây chỉ hoạt động trong phạm vi nhất định Nếu ra khỏi phạm

vi phát sóng của mạng thì chúng ta không thể kết nối mạng [68]

Song song với sự phát triển của mạng không dây, mạng WLAN được chia rathành hai mô hình chính, đó là mô hình mạng không dây có cơ sở hạ tầng và môhình mạng không dây không có cơ sở hạ tầng Ad-hoc Các kiến trúc mạng nàyđược đưa ra nhằm làm cho mạng không dây dần thoát khỏi sự phụ thuộc hoàntoàn vào mạng cơ sở hạ tầng Một trong những mô hình mạng được đề xuất đóchính là mạng Ad-hoc thường được viết tắt là MANET Việc các mạng không dây

ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn

đề khác đặt ra như tốc độ truyền thông không cao, mô hình mạng không ổn địnhnhư mạng có dây truyền thống do các nút mạng hay di chuyển, năng lượng cungcấp cho các nút mạng thường chủ yếu là pin

Mạng Ad-hoc [72] là mạng bao gồm các thiết bị di động (máy tính có hỗ trợcard mạng không dây) các thiết bị PDA hay các điện thoại thông minh tập trunglại trong một không gian nhỏ để hình thành liên kết nối ngang hàng giữa chúng.Các thiết bị này có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, không cần phải thôngqua máy chủ quản trị mạng Mạng Ad-hoc là mạng mà các nút trong mạng cóthể tự thiết lập, tự tổ chức và tự thích nghi khi có một nút mới gia nhập mạng,các nút trong mạng cần có cơ chế phát hiện nút mới gia nhập mạng, thông tin vềnút mới sẽ được cập nhật vào bảng định tuyến của các nút lân cận và gửi đi Khi

có một nút ra khỏi mạng, thông tin về nút đó sẽ được xóa khỏi bảng định tuyến

và hiệu chỉnh lại tuyến, Mạng Ad-hoc có nhiều loại thiết bị khác nhau tham giamạng lên các nút mạng không những phát hiện được khả năng kết nối của cácthiết bị, mà còn phải phát hiện ra được loại thiết bị và các đặc tính tương ứngcủa các loại thiết bị đó (vì các thiết bị khác nhau sẽ có các đặc tính khác nhau

ví dụ như: khả năng tính toán, lưu trữ hay truyền dữ liệu trong mạng, ) MạngAd-hoc được coi như mạng ngang hàng không dây, trong mạng không có máy chủ.Các thiết bị vừa là máy khách, vừa làm nhiệm vụ của bộ định tuyến và vừa làmmáy chủ

Vấn đề sử dụng và duy trì năng lượng cho các nút mạng của mạng Ad-hoc

là vấn đề đáng quan tâm vì các nút mạng trong mạng Ad-hoc thường dùng pin

để duy trì sự hoạt động của mình Tính bảo mật trong truyền thông của mạngAd-hoc là không cao do truyền thông trong không gian sử dụng sóng vô tuyếnlên khó kiểm soát và dễ bị tấn công hơn so với mạng có dây rất nhiều Việc thiếtlập các mạng Ad-hoc có thể thực hiện nhanh chóng và dễ dàng lên chúng thườngđược thiết lập để truyền thông tin với nhau mà không cần phải sử dụng một thiết

bị hay kỹ năng đặc biệt nào Vì vậy mạng Ad-hoc rất thích hợp cho việc truyềnthông tin giữa các nút trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm

việc tạm thời Tuy nhiên chúng có thể có những nhược điểm về vùng phủ sóng

bị giới hạn, mọi người sử dụng đều phải nằm trong vùng có thể “nghe” được lẫnnhau

Ứng dụng của mạng Ad-hoc để đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tínhchất tạm thời: Ở tại địa điểm trong một khoảng thời gian nhất định, giống nhưtrong một lớp học, một cuộc hội thảo hay một cuộc họp, việc thiết lập một mạngmang tính chất tạm thời để truyền thông với nhau chỉ diễn ra trong một khoảngthời gian ngắn Nếu chúng ta thiết lập một mạng có cơ sở hạ tầng, dù là mạngkhông dây cần chi phí cao về tài nguyên cũng như nhân lực, vật lực, thời gian Do

đó, mạng Ad-hoc được coi là giải pháp tốt nhất cho những tình huống này Hỗ trợkhi xảy ra các thiên tai, hỏa hoạn và dịch họa: khi xảy ra các thiên tai như hỏahoạn, động đất, cháy rừng ở một nơi nào đó, cơ sở hạ tầng ở đó như đường dây,các máy trạm, máy chủ, có thể bị phá hủy dẫn đến hệ thống mạng bị tê liệt làhoàn toàn khó tránh khỏi Vì thế, việc thiết lập nhanh chóng một mạng cần thờigian ngắn mà lại có độ tin cậy cao và không cần cơ sở hạ tầng để đáp ứng truyềnthông, nhằm giúp khắc phục, giảm tổn thất sau thiên tai, hỏa hoạn là cần thiết.Khi đó mạng Ad-hoc là một lựa chọn phù hợp nhất cho những tình huống nhưvậy [72] Trong một số ứng dụng nào đó, nếu sử dụng dịch vụ mạng có cơ sở hạtầng có thể không hiệu quả cao bằng việc dùng mạng Ad-hoc Ví dụ như với mộtmạng có cơ sở hạ tầng, do được điều khiển bởi một điểm truy cập mạng lên cácnút mạng muốn truyền thông với nhau đều phải thông qua nó Ngay cả khi hainút mạng ở gần nhau, chúng cũng không thể trực tiếp truyền thông với nhau màphải chuyển tiếp qua một điểm truy cập tập trung Điều đó gây ra một sự lãngphí thời gian và băng thông mạng Trong khi đó, nếu sử dụng mạng Ad-hoc việctruyền thông giữa hai nút mạng đó lại trở lên vô cùng dễ dàng và nhanh chóng.Hai nút mạng gần nhau có thể truyền thông trực tiếp với nhau mà không cần phảithông qua thiết bị trung gian nào khác

1.1.2.4 Mạng đô thị không dây

Mạng đô thị không dây được định nghĩa là mạng có qui mô lớn hơn WLAN,

có thể bao phủ một khu đô thị như một thành phố, một quận, huyện, hay là mộtkhu vực dân cư rộng nào đó Mạng này sử dụng các công nghệ dành cho mạngdiện rộng, có tốc độ truyền dẫn cao và khả năng kháng lỗi mạnh WMAN là giảipháp mạng không dây của mạng MAN Do vậy, có thể gọi WMAN là mạng đô thịkhông dây; hay có thể các vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa vẫn có thể sử dụngđược mạng WMAN

Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập hợp các giao tiếp dựatrên giao thức tầng MAC và lớp vật lý năm 2001 Chuẩn 802.16 cũng đề cập đếncông nghệ WiMax là công nghệ không dây băng thông rộng đang phát triển rất

nhanh với khả năng triển khai trên phạm vi rộng và sẽ mang lại khả năng kết nốiInternet tốc độ cao tới các gia đình và công sở [9,68].

1.1.2.5 Mạng lưới không dây

Mạng lưới không dây (Wireless Mesh Network ) [4] bao gồm các router và cácclient kết nối với nhau như trong Hình 1.1

Hình 1.1: Kiến trúc mạng lưới không dây

Các router hình thành cơ sở hạ tầng mạng - được gọi là mesh backbone –cung cấp sự truy cập mạng cho các clients Các thiết bị này thường không bị ràngbuộc về năng lượng, khả năng tính toán, bộ nhớ và hoạt động như những thiết bịchuyển mạch thông minh WMN có tất cả các ưu điểm của các mạng không dâyAd-hoc và có thêm nhiều ưu điểm mở rộng nhờ kỹ thuật kiến trúc cơ sở hạ tầng.Mesh backbone có thể triển khai nhanh chóng với giá thành thấp nhưng là một hệthống hiệu quả, thực tế, mềm dẻo và mạnh để hỗ trợ việc truy cập mạng cho cácclient Mesh backbone có thể cung cấp cho các client nhiều dịch vụ và tài nguyênkhác nhau thông qua các chức năng gateway (cổng mạng) và bridging (cầu nối).Những thuận lợi này nhấn mạnh rằng, WMN là công nghệ hứa hẹn cho một sốlượng lớn các ứng dụng như là mạng gia đình, mạng cộng đồng hay tập đoàn, truynhập internet công cộng tốc độ cao

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng không dây trong những nămgần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thíchhợp khi triển khai mạng Mỗi công nghệ mạng không dây được thiết kế để hoạtđộng ở một phạm vi nhất định và được phân loại theo khả năng phủ sóng củatừng công nghệ Trong các ứng dụng mạng không dây phạm vi vừa và nhỏ, côngnghệ WLAN (IEEE 802.11) vẫn là một giải pháp hoàn toàn phù hợp về đặc điểm

kỹ thuật cũng như chi phí sử dụng Tuy nhiên, do hạn chế về tầm phủ sóng, côngnghệ WLAN truyền thống không thể đáp ứng được các ứng dụng cần mở rộng

mạng Vì vậy, trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ không dâychuẩn, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được giải pháp kết nối để tạo ra mạng cóphạm vi phủ sóng cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được các tính chất của mạng Kỹthuật mạng hình lưới không dây WMN có thể được coi là một giải pháp tốt chovấn đề đặt ra, nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng cho các mạng WLAN chuẩn [4].

Trong những năm gần đây, mạng lưới không dây (WMN) đã được sử dụng như

là giải pháp chủ yếu cho việc mở rộng kết nối Internet cho các nút di động Nhiềuthành phố ở Mỹ (Medford, Oregon; Chaska, Minnesota; và Gilbert, Arizona) đãtriển khai mạng lưới không dây Một vài công ty như MeshDynamic gần đây đãthông báo sự sẵn sàng của công nghệ mạng lưới đa hop (số lần chuyển đổi) đasóng Những mạng này xử lý gần giống mạng có dây, chúng hiếm khi có thay đổi

về topo, các nút bị lỗi được giảm đi Với các mạng lưới không dây, toàn bộ lưulượng tải của mỗi nút định tuyến cũng ít thay đổi Một trong những vấn đề chínhphải đối mặt của mạng không dây là sự suy giảm thông lượng vì sự giao thoa gây

ra nhiễu của những đường truyền đồng thời Sử dụng nhiều kênh và nhiều sóng

có thể làm giảm bớt nhưng không khử hoàn toàn được nhiễu Công nghệ mạngWLAN được áp dụng để triển khai mạng không dây diện rộng thông qua một sốcải tiến về phần cứng và phần mềm trên các chuẩn 802.11a, 802.11b có dải tầnkhác nhau Kỹ thuật mạng lưới không dây WMN có thể được ứng dụng cho nhiềukiểu hạ tầng mạng không dây khác nhau và một trong số đó là mạng không dâycục bộ WLAN [34]

Trong kỹ thuật mạng hình lưới, chúng ta cần phân biệt được một số kháiniệm sau:

- Nút (Node): Gồm có router và/hoặc các client (máy tính, PDA, )

- Nút đường lên (Uplink Node): Nút kết nối tới mạng Internet thông quađường truyền hữu tuyến để cung cấp kết nối Internet cho toàn mạng

- Nút đường xuống (Downlink Node): Nút kết nối tới mạng và có khả năngphục vụ cả kết nối hữu tuyến và vô tuyến cho mạng

- Nút lặp (Repeater Node): Nút kết nối vào mạng và không dùng để phục vụcác client chỉ đóng vai trò là nút trung gian khôi phục và lặp tín hiệu

Mạng lưới không dây sử dụng các mô hình kết nối cơ bản như sau:

- Điểm-Điểm (Point-to-Point ): Là kiểu kết nối đơn giản nhất, hai nút truyềnthông qua hai anten thu phát công suất cao hướng trực tiếp với nhau (xemHình1.2)

- Điểm–Đa điểm (Point-to-Multipoints): Kết nối được chia sẻ giữa nút đườnglên dùng anten đa hướng với các nút đường xuống (hoặc các nút lặp) vớianten thu công suất cao Cấu hình mạng này dễ triển khai hơn cấu hìnhĐiểm – Điểm vì khi thêm một thuê bao mới chỉ cần lắp đặt thêm thiết bị tạikhu vực thuê bao chứ không phải lắp tại nút đường lên Tuy vậy, các trạmthu phải nằm trong phạm vi phủ sóng và có đường nhìn thẳng với trạm phát

sóng gốc Các vật cản như cây cối, nhà cửa, đồi núi sẽ góp phần làm cấuhình mạng lưới Điểm – Đa điểm hoạt động không hiệu quả (Xem Hình 1.3).

- Đa điểm–Đa điểm (Multipoints–to-Multipoints): Mỗi nút có vai trò khôngchỉ là điểm truy nhập cho các trạm mà còn làm nhiệm vụ chuyển tiếp dữliệu Cấu hình này có độ tin cậy mạng cao nhất do các nút có sự liên thôngvới nhau, một nút chỉ cần có kết nối với một nút bất kỳ mà không cần phải

có kết nối trực tiếp với nút đường lên như trong cấu hình Điểm–Đa điểm,

là có thể kết nối với toàn mạng Tuy nhiên, đổi lại giao thức tìm đường củamạng sẽ có độ phức tạp cao hơn (Xem Hình 1.4)

Hình 1.2: Kết nối điểm-điểm

Hình 1.3: Kết nối điểm–đa điểm

Hình 1.4: Kết nối đa điểm – đa điểm

Ưu điểm của mô hình lưới đó là độ tin cậy cao vì các kết nối mạng không phụthuộc vào bất kỳ node nào Nếu một node của mạng bị trục trặc, các node có thểtương tác với một node khác thông qua node trung gian Mô hình này cũng thíchhợp cho các mạng lớn như mạng WAN vì nó cho phép nhiều vị trí trên mạng lớnkết nối đến một nơi tin cậy khác.

1.1.3 Sự phát triển của mạng thông tin di động

Có rất nhiều loại hình mạng, nhiều công nghệ và chuẩn vô tuyến đã và đangđược chuẩn hóa Các công nghệ mạng không dây rất gần gũi với con người Mộttrong số chúng là công nghệ mạng thông tin di động ví dụ như mạng điện thoại

di động 2G/3G Tên thông dụng mà mọi người hay gọi là mạng GSM/CDMA hayUMTS/WCDMA/CDMA2000 [27, 70]

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile tions-GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch vụ GSMđược sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Các mạngthông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điệnthoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiềunơi trên thế giới GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động trên thếgiới Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổbiến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiềuvùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc

Communica-độ, chất lượng cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai(second generation, 2G)

Hình 1.5: Mô hình hệ thống thông tin di động GSM

GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation nership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính củaGSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn Thuậnlợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cungứng GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể kết hợp chuyển vùng với nhau

Part-do vậy mà người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thếgiới Những năm đầu 1980, hệ thống viễn thông tế bào trên thế giới đang pháttriển mạnh mẽ đặc biệt là ở Châu Âu mà không được chuẩn hóa về các chỉ tiêu

kỹ thuật Điều này đã thúc giục Liên minh Châu Âu về Bưu chính viễn thôngCEPT (Conference of European Posts and Telecommunications) thành lập nhómđặc trách về di động GSM (Groupe Spécial Mobile) với nhiệm vụ phát triển mộtchuẩn thống nhất cho hệ thống thông tin di động để có thể sử dụng trên toànChâu Âu

Thông tin di động vốn là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội Xãhội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người ngày càng tănglên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của

nó Cho đến ngày nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạnphát triển, từ thế hệ di động thứ nhất (1G) đến thế hệ di động thứ ba (3G) vàđang phát triển đến trên thế giới thế hệ thứ tư (4G) [27] Quá trình phát triển vàcác công nghệ được minh họa trong Hình 1.6

Hình 1.6: Lộ trình phát triển của thông tin di động

Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động được mô tả trong Hình

1.7 Hệ thống thông tin di động gồm 3 thành phần chính đó là trạm di động, cungcấp khả năng liên lạc, hệ thống trạm gốc điều khiển kết nối vô tuyến với trạm diđộng và hệ thống mạng có chức năng thực hiện chuyển mạng các cuộc gọi giữacác thuê bao di động [27]

Hình 1.7: Kiến trúc mạng di động không dây

Hệ thống con chuyển mạch SS (Switching Sub System) bao gồm các chứcnăng chuyển mạch chính cũng như cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao vàquản lý di động của thuê bao Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữanhững người sử dụng mạng với nhau và với mạng khác gồm:

- Trung tâm chuyển mạch nghiệp vụ di động MSC

- Thanh ghi định vị thường trú HLR

- Thanh ghi định vị tạm trú VLR

- Trung tâm nhận thực AuC

- Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR

Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Switch Controller ):

Ở SS chức năng chuyển mạch chính được MSC thực hiện, nhiệm vụ chính củaMSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng Một mặtMSC giao tiếp với hệ thống con BSS mặt khác giao tiếp với ngoài mạng MSClàm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài gọi là MSC cổng [27] MSC thường là mộttổng đài lớn điều khiển trạm gốc BSC Chức năng chính của MSC là:

- Xử lý cuộc gọi (Call Processing)

- Điều khiển chuyển giao (Handover Control )

- Quản lý di động (Mobility Management )

- Chức năng kết nối mạng IWF (Interworking Function): qua GMSC

Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểmtruyền dẫn của mạng GSM với các mạng này Các thích ứng này gọi là chức năngtương tác IWF (Inter Networking Function) Chức năng tương tác IWF bao gồmmột thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn IWF có thể thực hiện trongcùng chức năng MSC hay có thể ở thiết bị riêng, ở trường hợp hai giao tiếp giữaMSC và IWF được để mở [75]

Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register ) là cơ sở dữ liệutham chiếu lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao, các thông tin liên quan tớiviệc cung cấp các dịch vụ viễn thông HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thờicủa thuê bao và chứa các thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao HLR bao gồm:

- Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN

- Các thông tin về thuê bao

- Danh sách các dịch vụ mà MS được sử dụng và bị hạn chế

- Số hiệu VLR đang phục vụ MS

Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register ): VLR là một cơ sở

dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS hiện đang ở vùng phục vụ của MSC MỗiMSC có một VLR, thường thiết kế VLR ngay trong MSC Ngay cả khi MS lưuđộng vào một vùng MSC mới VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS

từ HLR Đồng thời HLR sẽ được thông báo rằng MS đang ở vùng MSC nào Nếusau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết

để thiết lập một cuộc gọi mà không cần hỏi HLR, có thể coi VLR như một HLRphân bố VLR chứa thông tin chính xác hơn về vị trí MS ở vùng MSC Nhưng khithuê bao tắt máy hay rời khỏi vùng phục vụ của MSC thì các số liệu liên quan tới

nó cũng hết giá trị Nói cách khác, VLR là cơ sở dữ liệu trung gian lưu trữ tạmthời thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ MSC/VLR được tham chiếu từ cơ

sở dữ liệu HLR VLR bao gồm:

- Các số nhận dạng: IMSI, MSISDN, TMSI

- Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS

- Danh sách các dịch vụ mà MS được và bị hạn chế sử dụng

- Trạng thái của MS (bận: busy; rỗi: idle)

Trung tâm dịch vụ di động GMSC (Gateway Mobile Service Center ): phân

hệ SS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR Để thiết lập một cuộc gọi đến người

sử dụng, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng gọi làGMSC mà không cần biết hiện thời thuê bao đang ở đâu

Trạm di động MS (Mobile Station): Trạm di động là thiết bị duy nhất màngười sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống MS có thể là thiết bịđặt trong ô tô, thiết bị xách tay hoặc thiết bị cầm tay Loại thiết bị cầm tay sẽ làthiết bị di động phổ biến nhất Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và

xử lý cho giao diện vô tuyến MS còn phải cung cấp các thiết bị giao diện với người

sử dụng như micro, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi hoặc giaodiện với một số thiết bị khác như giao diện với máy tính cá nhân, fax, Hiệnnay, người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối vớicác trạm di động

Hệ thống con trạm gốc (Base Station Subsystem-BSS): BSS giao diện trựctiếp với các trạm di động MS bằng thiết bị BTS thông qua giao diện vô tuyến

Mặt khác BSS thực hiện giao diện với các tổng đài ở phân hệ chuyển mạch SS.Tóm lại, BSS thực hiện đấu nối các MS với tổng đài và nhờ vậy đấu nối nhữngngười sử dụng các trạm di động với những người sử dụng viễn thông khác BSScũng phải được điều khiển, do đó nó được đấu nối với phân hệ vận hành và bảodưỡng OSS Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm:

- TRAU (Transcoding and Rate Adapter Unit ): Bộ chuyển đổi mã và thíchứng tốc độ

- BSC (Base Station Controller ): Bộ điều khiển trạm gốc

- BTS (Base Transceiver Station): Trạm thu phát gốc

Trạm thu phát sóng cơ sở BTS (Base Transceiver Station-BTS): Một trạmBTS bao gồm các thiết bị phát, thu, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện

vô tuyến Có thể coi BTS là các modem vô tuyến phức tạp có thêm một số cácchức năng khác Bộ phận quan trọng nhất của BTS là TRAU (khối chuyển đổi

mã thích ứng tốc độ) TRAU là một bộ phận của BTS nhưng cũng có thể nó đặtcách xa BTS Khối thích ứng và chuyển đổi mã thực hiện chuyển đổi mã thông tin

từ các kênh vô tuyến (16 Kb/s) theo tiêu chuẩn GSM thành các kênh thoại chuẩn(64 Kb/s) trước khi chuyển đến tổng đài TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mãhoá và giải mã tiếng đặc thù riêng cho GSM được tiến hành, tại đây cũng thựchiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu TRAU là một bộ phận củaBTS, nhưng cũng có thể được đặt cách xa BTS và thậm chí còn đặt trong BSC

và MSC

BSC (Base Station Controller ): BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả các giaodiện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa BTS và MS Các lệnh này chủyếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao Mộtphía BSC được nối với BTS còn phía kia nối với MSC của SS Trong thực tế, BSC

là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể Vai trò chủ yếu của nó làquản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao Một BSC trung bình cóthể quản lý vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của những BTS này Giao diệngiữa BSC với MSC được gọi là giao diện A, còn giao diện giữa nó với BTS gọi làgiao diện Abis Các chức năng chính của BSC là:

1 Quản lý mạng vô tuyến: Việc quản lý vô tuyến chính là quản lý các cell vàcác kênh logic của chúng Các số liệu quản lý đều được đưa về BSC để đođạc và xử lý, chẳng hạn như lưu lượng thông tin ở một cell, môi trường vôtuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, các lần chuyển giao thành công và thấtbại

2 Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS : Trước khi đưa vào khai thác, BSC lập cấuhình của BTS (số máy thu/phát TRX, tần số cho mỗi trạm ) Nhờ đó màBSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến dành cho điều khiển và nối thôngcuộc gọi

3 Điều khiển nối thông các cuộc gọi : BSC chịu trách nhiệm thiết lập và giảiphóng các đấu nối tới máy di động MS Trong quá trình gọi, sự đấu nối đượcBSC giám sát Cường độ tín hiệu, chất lượng cuộc đấu nối được ở máy diđộng và TRX gửi đến BSC Dựa vào đó mà BSC sẽ quyết định công suấtphát tốt nhất của MS và TRX để giảm nhiễu và tăng chất lượng cuộc đấunối BSC cũng điều khiển quá trình chuyển giao nhờ các kết quả đo kể trên

để quyết định chuyển giao MS sang cell khác, nhằm đạt được chất lượngcuộc gọi tốt hơn Trong trường hợp chuyển giao sang cell của một BSC khácthì nó phải nhờ sự trợ giúp của MSC Bên cạnh đó, BSC cũng có thể điềukhiển chuyển giao giữa các kênh trong một cell hoặc từ cell này sang kênhcủa cell khác trong trường hợp cell này bị nghẽn nhiều

4 Quản lý mạng truyền dẫn: BSC có chức năng quản lý cấu hình các đườngtruyền dẫn tới MSC và BTS để đảm bảo chất lượng thông tin Trong trườnghợp có sự cố một tuyến nào đó, nó sẽ tự động điều khiển tới một tuyến dựphòng

Thế hệ thứ nhất (1G) : Hệ thống di động thế hệ thứ nhất chỉ hỗ trợ cácdịch vụ thoại tương tự và sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần

số (Frequency Division Multiple Access-FDMA) Giữa các kênh kề nhau có mộtkhoảng bảo vệ để tránh chồng phổ do sự không ổn định của tần số sóng mang.Khi một người dùng gửi yêu cầu tới các trạm cơ sở, các trạm này sẽ ấn định mộttrong các kênh chưa sử dụng và giành riêng cho người dùng Tuy nhiên, khi ngaykhi người dùng kết thúc, kênh lại được ấn định cho người khác Khi số lượng cácthuê bao trong mạng tăng lên, người ta thấy cần phải có biện pháp nâng cao dunglượng của mạng, chất lượng các cuộc đàm thoại cũng như cung cấp thêm một sốdịch vụ bổ sung cho mạng Để giải quyết vấn đề này người ta đã nghĩ đến việc

số hoá các hệ thống điện thoại di động, và điều này dẫn tới sự ra đời của các hệthống điện thoại di động thế hệ thứ hai ưu điểm hơn thế hệ thứ nhất cả về dunglượng và các dịch vụ được cung cấp

Thế hệ thứ hai (2G): Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai gồm:GSM (hệ thống thông tin di động toàn cầu), IS-136, IS-95, CDMA (Code DivisionMultiple Access) và PDC (Personal Digital Cellular ) với tiêu chuẩn thông số toànChâu Âu, sẽ giải quyết sự hạn chế dung lượng hiện có Thực chất, dung lượng sẽtăng 2, 3 lần nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn, do vậy, số thuê bao phục vụ sẽ tănglên Mặc dù, hệ thống thông tin di động 2G được coi là những tiến bộ đáng kểnhưng nó vẫn gặp phải một số hạn chế về tốc độ và tài nguyên Vì thế, cần thiếtphải chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế hệ ba tiếp theo để cải thiện dịch

vụ truyền số liệu, nâng cao tốc độ và tài nguyên được chia sẻ Mặt khác, khi các

hệ thống thông tin di động ngày càng phát triển, không chỉ số lượng người sử dụngđiện thoại di động tăng lên, mở rộng thị trường mà người sử dụng còn đòi hỏi cácdịch vụ tiên tiến hơn không chỉ là các dịch vụ gọi thoại truyền thống và dịch vụ

số liệu tốc độ thấp trong mạng hiện tại Nhu cầu của thị trường có thể phân loại

thành các lĩnh vực như: dịch vụ dữ liệu máy tính, dịch vụ viễn thông, dịch vụ nộidung số như âm thanh, hình ảnh Những lý do trên thúc đẩy các tổ chức nghiêncứu phát triển hệ thống thông tin di động trên thế giới tiến hành nghiên cứu và

đã áp dụng trong thực tế chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động

Thế hệ thứ ba (3G): Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu mà IP

đã đặt ra các yêu mới đối với công nghệ viễn thông di động Thông tin di độngthế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xâydựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng được dịch vụ mới này.Công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba là giai đoạn mới nhất trong sự tiến hóa củangành viễn thông di động Nếu 1G của điện thoại di động là những thiết bị tương

tự, chỉ có khả năng truyền thoại thì mạng 2G gồm cả hai công năng truyền thoại

và dữ liệu giới hạn dựa trên kỹ thuật số Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề ántiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT–2000.IMT–2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụngnhiều phương tiện thông tin Mục đích của IMT–2000 là đưa ra nhiều khả năngmới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ hai vào những năm 2000 3G mang lại cho người dùng nhữngdịch vụ giá trị gia tăng cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữliệu (như e-mail và tin nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh vớibăng tần cao Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động, chụp vàgửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện thoại máy ảnh, gửi và nhận e-mail và file đính kèmdung lượng lớn, tải tệp tin video và MP3, thay cho modem để kết nối đến máytính xách tay PDA và nhắn tin dạng chữ với chất lượng cao

Thế hệ thứ tư (4G) là hệ thống mạng di động truyền tải tốc độ cao HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), phát triển từ 3G Về mặt lý thuyết, mạngkhông dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10lần Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên Vớicông nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbpsđối với người dùng cố định Trong số những công nghệ tiên phong trong lĩnh vực4G, phải kể đế LTE, UMB và WiMax Cả 3 đều sử dụng công nghệ ăng ten mới,qua đó cải thiện tốc độ và khoảng cách truyền dẫn dữ liệu Tuy nhiên, 3 côngnghệ này vẫn được xem như những công nghệ tiền 4G IEEE 802.16m (WiMAX):IEEE 802.16m, hay còn gọi là WiMAX được phát triển từ chuẩn IEEE 802.16ecủa Viện kỹ thuật điện và điện tử Công nghệ này hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệulên tới 100 Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các ngườidùng tĩnh Hãng Intel đang dẫn đầu về đề xuất sử dụng và phát triển WiMAX cho

hệ thống 4G, cùng với sự hợp tác của Alcatel-Lucent, AT&T, Motorola, Nokia,Samsung và Sprint Nextel LTE (Long-Term Evolution): 4G LTE được phát triển

từ 3GPP, nền tảng của công nghệ viễn thông GSM LTE sử dụng tần số một cáchlinh động, có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz cho tới 20 MHz.Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (về lý thuyết) của LTE có thể đạt tới 250 Mb/skhi độ rộng băng tần là 20 MHz [27]

1.2 Các vấn đề của tối ưu mạng

Những thách thức cơ bản cần đối mặt trong tối ưu mạng được xây dựng dựatrên thực tế là nhiều vấn đề liên kết với nhau cần được xem xét cùng một lúc [75]:

- Lập kế hoạch: Có ý nghĩa không chỉ để đáp ứng tình trạng hiện tại và nhucầu, mà các giải pháp được lựa chọn cũng được thực hiện theo các yêu cầutương lai theo hướng dự báo con đường phát triển Hơn nữa, cơ chế kiểmsoát mạng phải hỗ trợ cho các quy trình vận hành và cho thấy không chỉkhu vực phủ/công suất là nút cổ chai, nhưng xác định các khu vực dịch vụmới có thể được giới thiệu trong các cơ sở hạ tầng hiện có

- Ước tính không chính xác sự phát triển lưu lượng Không chỉ là câu hỏi vềtổng số lượng tăng trưởng lưu lượng, mà còn là câu hỏi về việc phân phốidịch vụ và nhu cầu trong tương lai Phân tích xu hướng có thể được sử dụngvới các dịch vụ hiện có, giới thiệu một số dịch vụ mới có thể dẫn đến mộtdịch vụ hoàn toàn kết hợp nhu cầu

- Tất cả các hệ thống mạng không dây có một liên hệ giữa dung lượng vàvùng phủ, và đương nhiên có cả chất lượng Do đó, tối ưu mạng không chỉdựa vào ước lượng truyền sóng mà còn phụ thuộc vào tình trạng nhiễu củamạng Lý tưởng nhất, lựa chọn xem xét vị trí sẽ được thực hiện dựa trênphân tích mạng có trọng tải trong quy hoạch và lưu lượng/danh mục đầu tưdịch vụ

Tối ưu dung lượng: Ví dụ, nhiều người cùng truy cập vào mạng không dâylàm lưu lượng dữ liệu tăng, tốc độ mạng vì thế mà giảm đi Ngoài ra, nếu tải trongmạng tăng cũng khiến mức nhiễu tăng lên điều này cũng sẽ làm giảm dung lượngcủa mạng không dây Cuối cùng, dung lượng mềm là một vấn đề khác cần đượcxem xét, bởi vì trong các tình huống nhất định một số thiết bị có thể có lượng tảinhỏ hơn những thiết bị khác, và do đó công suất dư thừa này có thể được chia sẻgiữa các thiết bị trong mạng

Một số kỹ thuật nâng cao dung lượng hữu ích có thể được hỗ trợ cho mạngkhông dây là cho phép chồng phủ lên nhau như là một hệ thống phân cấp các thiết

bị cho phép tăng dung lượng tại một điểm nóng và sử dụng dải tần số khác nhaucho những người sử dụng khác nhau Kỹ thuật chuyển giao mềm được sử dụng khinhiều kết nối được kết nối đến nhiều trạm gốc, tất cả đều hoạt động trên cùngmột tần số vô tuyến (RF) Việc sử dụng nhiều kết nối làm giảm công suất từ mỗitrạm cơ sở phục vụ cho mỗi thiết bị người dùng (UE) Chuyển giao mềm như vậy

sẽ làm giảm nhiễu và tăng dung lượng các thiết bị trong lượt chuyển giao [65]

Trong các mạng không dây, việc phân bố tài nguyên và kích cỡ của mạngkhông còn khả thi nữa do các nhu cầu không dự đoán trước và các yêu cầu củacác dịch vụ khác nhau Vì thế, quản lý tài nguyên bao gồm 2 phần: đặt cấu hình

và đặt lại cấu hình tài nguyên vô tuyến Việc đặt cấu hình tài nguyên vô tuyến

có nhiệm vụ phân phát nguồn tài nguyên một cách hợp lý cho các yêu cầu mớiđang đưa đến hệ thống để cho mạng không bị quá tải và duy trì tính ổn định.Tuy nhiên, nghẽn có thể xuất hiện trong mạng vì sự di chuyển của người sử dụng.Việc đặt lại cấu hình có nhiệm vụ cấp phát lại nguồn tài nguyên trong phạm vicủa mạng khi hiện tượng nghẽn bắt đầu xuất hiện Chức năng này có nhiệm vụđưa hệ thống bị quá tải trở về lưu lượng tải mục tiêu một cách nhanh chóng và

có thể điều khiển được [55, 66, 73]

Tối ưu vùng phủ sóng: Vùng phủ sóng cho phép người dùng có thể dichuyển thoải mái từ mạng không dây hiện tại vào các mạng không dây khác Đặcbiệt là trong mạng không dây di động Theo đó người dùng sẽ chuyển từ một môitrường mạng di động này sang môi trường mạng di động khác

Ví dụ, mạng UMTS sẽ không độc lập với mạng GSM hiện có mà nó sẽ cùngtồn tại với hệ thống mạng GSM Nhiều thiết bị đầu cuối có thể chuyển đổi từ 2Gsang 3G và ngược lại Do sự đa dạng của các dịch vụ mạng yêu cầu mức độ khácnhau của vùng phủ do các yêu tố cần đáp ứng mức yêu cầu của dịch vụ, độ lợi xử

lý khác nhau và trong trường hợp có thể có hoặc không có chuyển giao mềm xảy

ra [55, 73]

Tối ưu quản lý tài nguyên: Quản lý nguồn tài nguyên có thể chia thànhđiều khiển công suất, chuyển giao, điều khiển tải Để minh họa ý nghĩa của việcđiều khiển công suất cần thiết trong hệ thống thông tin di động, chúng ta xét một

ví dụ như sau Giả sử có một trạm cơ sở và hai khách hàng, khách hàng thứ nhấtgần trạm cơ sở hơn khách hàng thứ hai Nếu không có điều khiển công suất, cảhai khách hàng sẽ phát một mức công suất cố định p, tuy nhiên do sự khác nhau

về khoảng cách công suất từ khách hàng thứ nhất sẽ lớn hơn khách hàng thứ hai.Giả sử rằng với độ lệch về khoảng cách như vậy, mà công suất của khách hàng thứnhất lớn gấp 10 lần công suất của khách hàng thứ hai thì khách hàng thứ hai sẽchịu sự bất lợi lớn Việc điều khiển công suất được đưa vào để giải quyết vấn đề

xa gần và để tăng tối đa dung lượng của hệ thống Điều khiển công suất là điềukhiển công suất phát ra từ mỗi khách hàng sao cho công suất thu của mỗi kháchhàng ở trạm cơ sở là như nhau Điều khiển chuyển giao cho phép người sử dụng

có thể truy nhập các dịch vụ trong khi di chuyển nên có thuật ngữ “tự do” chocác thiết bị đầu cuối Tuy nhiên tính “tự do” này gây ra một sự không xác địnhđối với các hệ thống di động Sự di động của các người sử dụng đầu cuối gây ramột sự biến đổi động cả trong chất lượng liên kết và mức nhiễu, người sử dụngđôi khi còn yêu cầu thay đổi trạm gốc phục vụ Quá trình này được gọi là chuyểngiao Điều khiển tải đảm bảo cho hệ thống không bị quá tải và đảm bảo tính ổnđịnh [2,47, 49, 50, 74]

Tối ưu quy hoạch mạng: Trong quá trình phát triển, xây dựng mạng cácdoanh nghiệp luôn quan tâm đến vấn đề quy hoạch mạng nhằm đạt được nhữngmục tiêu sau: Đảm bảo tối ưu hóa vùng phủ sóng; đảm bảo dung lượng cung cấp

cho các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao cho khách hàng; tối ưu hóa việc lắpđặt, xây dựng mạng; thuận tiện cho việc bảo hành, bảo dưỡng mạng; nâng cấp,sửa chữa mạng [21, 23, 24,42].

Quy hoạch mạng bao gồm: định cỡ mạng, hoạch định dung lượng và vùngphủ chi tiết, tối ưu mạng Quá trình quy hoạch mạng được chỉ rõ trong Hình1.8

Hình 1.8: Quá trình quy hoạch mạng

1.2.1 Các vấn đề mở đối với mạng không dây

Truyền thông không dây đã chứng tỏ tầm quan trọng của nó trong thời gianqua như là nền tảng điều khiển của sự phát triển kinh tế, đầu tiên là theo hìnhthức mạng di động và gần đây là cho các mạng máy tính (WiFi, WiMax) Trongthập kỷ tới có thể nó sẽ mang lại sự phát triển một cách đột phá Mức độ pháttriển đầy đủ của chúng không thể dự đoán nhưng chắc chắn sẽ bao gồm:

1 Các dịch vụ băng thông rộng: các dịch vụ “triple-play” (giọng nói, dữ liệu,video) ở tốc độ lên tới 1Gbit/s cho người dùng trong một môi trường tùy ý

2 Khả năng tính toán ở mọi nơi : Tính thông minh được phân phối trong mộttập hợp các thiết bị hoạt động một cách tự chủ

3 Các mạng cảm biến không dây cho việc giám sát và cảm nhận môi trường

Để làm được những điều trên, chúng ta cần phải giải quyết trong tương laicác vấn đề chính sau đây:

1 Quản lý tài nguyên và độ phổ thông minh:

(a) Vấn đề các chiến lược định tuyến: Với mật độ gia tăng của độ phổ sửdụng một khoảng không gian sẽ trở nên tắc nghẽn và không thể địnhtuyến một tín hiệu thông qua chúng Nghiên cứu cần xem xét các chiến

lược định tuyến nhận ra nhiễu và khai thác kiến thức về các kênh sóng

vô tuyến vật lý qua mạng để định tuyến các tín hiệu nhằm tránh tắcnghẽn đang tồn tại, và tránh việc tạo ra khu vực bị tắc nghẽn mới.Bằng cách hiểu các thuộc tính của các kênh sóng vô tuyến, QoS có thểđược quản lý một cách hiệu quả hơn và các kênh cũng được sử dụnghiệu quả hơn

(b) Sự cung cấp băng thông thông minh: Đây là một thách thức chính trongcác mạng không dây ở thế hệ sau, nó được xem xét không tầm thường

và hầu như chưa được giải quyết hoàn toàn Các giải pháp cho cấp phátbăng thông động là cần thiết để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện đãđược tích hợp với một phạm vi rộng các tỉ lệ dịch vụ và các yêu cầuQoS, trong khi đó việc cực đại thông lượng mạng không liên quan đến

sự thay đổi về lưu lượng

2 Các mạng di động không đồng nhất: Việc định tuyến các gói tin có quan hệvới nhau để kết nối chuyển giao giữa các vùng Các thuật toán định tuyếntruyền thống không xem xét đầy đủ khoảng thời gian có thể cho việc truycập bởi các thiết bị đầu cuối trong suốt quá trình xử lý chuyển giao Đó làmong muốn để tạo ra các thuật toán định tuyến mới có thể duy trì hiệu suấtend-to-end với những cân nhắc đầy đủ về quá trình bàn giao trong mạngkhông đồng nhất Như vậy việc hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực là đặcbiệt quan trọng trong mạng như là VoIP, truyền video,

3 Vấn đề mã mạng cho bài toán cực đại đa luồng (Maximum Multiflow inWireless Network Coding): nghiên cứu về mã mạng tập trung vào việc thiếtlập kết nối multicast được trình bày trong [77] cho rằng dung lượng mạng

là con số tối đa các gói tin có thể truyền từ nguồn s tới tập T của cácthiết bị đầu cuối trong một đơn vị thời gian, nó tương đương với dung lượngtối thiểu của một phần chia đôi ra từ nguồn s và thiết bị đầu cuối t ∈ T Vijayvaradharaj và cộng sự đã phát triển một cơ sở đại số về mã mạng vànghiên cứu về các mã mạng tuyến tính cho đồ thị có hướng và chu trình [52]

Lý thuyết này chỉ ra rằng mã mạng tuyến tính có thể mang lại hiệu quả càiđặt thông qua việc sinh ngẫu nhiên các thuật toán tất định về thời gian dànhcho việc tìm kiếm các mã mạng có tính khả thi trong kết nối multicast [29]

Mã mạng dành cho các mạng có chu trình đã được nói đến trong [30] Thuậttoán mã mạng mang lại một vài điều bất tiện gây trở ngại đã được nghiêncứu trong [8,71]

4 Các thuật toán định tuyến hiệu quả dựa trên đánh giá năng lượng các núttrong mạng Ad-hoc (Energy Efficient Broadcast Routing): Khi nghiên cứu vềmạng cảm biến không dây, đặc điểm quan trọng nhất cần chú ý đến là thờigian sống của các cảm biến Đây chính là sự giới hạn về năng lượng của mỗinút trong mạng Các nút cảm biển này thường yêu cầu công suất tiêu thụthấp và hoạt động có giới hạn nhưng lại khó thay thế được nguồn cần Vì vậy,

bên cạnh việc đảm bảo truyền thông trong mạng, thì các giao thức, thuậttoán định tuyến cần phải tập trung đến việc bảo toàn công suất [1, 10,54].

5 Các thuật toán ngẫu nhiên giảm thiểu vùng phủ sóng trùng lặp giữa cácmạng không dây (Handover minimization problem): Vùng phủ sóng củamạng thông tin di động 3G là phần diện tích không gian mà ở đó các thuêbao sử dụng được các dịch vụ mà nhà mạng cung cấp trên nền công nghệ 3GWCDMA, trong đó các thuê bao có thể đứng tại một vị trí hoặc di chuyển

mà vẫn sử dụng tốt các dịch vụ được cung cấp bao gồm voice, data, timedia Tối ưu hóa vùng phủ sóng là hoạt động thực hiện rất nhiều cácbiện pháp khác nhau (sửa lỗi thiết bị phần cứng, căn chỉnh góc ngẩng anten,thiết kế trạm hợp lý hơn, tối ưu quan hệ giữa các neighbor NodeB ) dựatrên kiến thức cơ bản và kinh nghiệm thực tế nhằm đưa chất lượng phục vụcủa mạng lên tốt nhất có thể, chất lượng này dựa theo các thông số đánhgiá chất lượng KPI, thông số đánh giá vùng phủ (RSCP, tỉ số Ec/No) Vìvậy, hướng nghiên cứu này đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm với cáccông bố liên quan gần đầy trong [12, 13]

mul-6 Cấp phát tài nguyên tái sử dụng bước sóng và năng lượng: Hiện nay trênthế giới, song song với các nghiên cứu về vật lý để khai thác băng thông cựclớn của sợi quang, các nghiên cứu về mạng quang nói chung và các nghiêncứu về điều khiển, quản lý tài nguyên mạng nói riêng được chú ý rất mạnh

mẽ theo hướng đáp ứng yêu cầu dịch vụ và phù hợp với sự phát triển củacông nghệ cũng như các điều kiện triển khai thực tế Hướng nghiên cứu này

mở ra rất nhiều vấn đề mới có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, điển hình

là các vấn đề về thiết kế và tối ưu sử dụng tài nguyên trong quá trình pháttriển mạng lưới Tài nguyên mạng quang nói chung có thể ở nhiều dạng khácnhau, phụ thuộc vào công nghệ và phạm vi nghiên cứu như: dung lượng hệthống, băng thông, sợi và các thiết bị, thành phần Việc phân bổ, sử dụngtài nguyên hữu hạn của mạng cần đảm bảo hiệu quả, đúng thời điểm, thỏamãn lưu lượng và giảm chi phí [44,67,76] Hoạt động của quản lý, sử dụngtài nguyên mạng truyền tải có mặt trong các giai đoạn phát triển, quản lýmạng và thường được chia ra 3 mức độ cơ bản theo thời gian:

(a) Quản lý và xử lý luồng lưu lượng, tài nguyên ở thời gian thực hay gầnthực, hay nhờ chức năng hồi phục, bảo vệ, và được phân loại như kỹthuật lưu lượng (Traffic Enginnering) Mức này có đặc trưng là: Đưaluồng lưu lượng vào chỗ có băng thông và tài nguyên khả dụng.(b) Chức năng tối ưu hoạt động mạng (Network Engineering) có thời gianmức giờ đến ngày và có đặc trưng là: Đặt, phân bổ băng thông, tàinguyên hiện có vào chỗ có lưu lượng

(c) Chức năng qui hoạch mạng (Network Planning) có thời gian mức thángđến năm và có đặc trưng: Đặt, phân bổ băng thông, tài nguyên vào chỗ

sẽ có lưu lượng

7 Vấn đề an ninh cho mạng không dây:

(a) Việc sử dụng các tài nguyên không dây cho các ứng dụng an ninh:Thách thức đặt ra ở đây là làm sao để sử dụng các tài nguyên đang tồntại trong các mạng không dây hỗ trợ ứng dụng liên quan tới an ninh.

Ví dụ Radar tự động và màn hình giám sát dựa trên mệnh lệnh.(b) Kỹ thuật bảo mật cho các mạng không dây: Các vấn đề chính được xácđịnh cho việc thiết kế của các hệ thống như là: tính tỉ lệ, độ phức tạp

và hiệu quả; độ vững chắc; các kỹ thuật an ninh mạng cho các mạngkhông dây; và các kỹ thuật riêng biệt cho việc thiết kế an ninh trongmạng ad-hoc và các mạng điểm tới điểm

1.2.2 Bài toán tối ưu

Như đã phân tích ở trên, đa số các vấn đề tối ưu mạng đều được chuyển

về mô hình bài toán tối ưu Tối ưu hóa là nguyên lý cơ bản của tất cả các quátrình ra quyết định, phân tích, xây dựng và điều khiển hệ thống Các bài toán ưuhóa xuất hiện ở trong mọi lĩnh vực hoạt động thực tế và nghiên cứu khoa học kỹthuật Dạng thức chung nhất của các bài toán này là xác định giá trị của một tậpcác tham số cùng tác động tới một đối tượng, sao cho một thuộc tính nào đó củađối tượng này đạt giá trị tối ưu và giá trị của mỗi tham số đều ở trong một giớihạn cho phép Tùy thuộc vào ngữ cảnh cụ thể, giá trị của tập tham số và thuộctính cần tối ưu hóa của đối tượng chịu ảnh hưởng có các hình thức biểu hiện khácnhau

Trong ngôn ngữ toán học, các bài toán tối ưu hóa, còn gọi là bài toán quyhoạch [14,69], đều có thể mô hình dưới dạng như sau:

- Cho D ⊆ Rn và f : D → R

- Tìm x∗ ∈ D sao cho f (x∗) ≤ f (x ), ∀ x ∈ D

Trong đó:

- n là một số nguyên dương, được gọi là số chiều hay số biến của bài toán;

- D được gọi miền ràng buộc hay không gian tìm kiếm (hay không gian nghiệmkhả thi) của bài toán

- x ∈ D được gọi là một giải pháp hay một nghiệm khả thi;

- f là hàm mục tiêu còn x∗ là nghiệm tối ưu

Thông thường, miền D được xác định bằng hệ sau:

Dựa vào đặc điểm của hàm mục tiêu f và miền ràng buộc D , các bài toán tối

ưu được phân thành các loại phổ biến sau:

- Quy hoạch tuyến tính: hàm mục tiêu f và các ràng buộc gi, hj là các hàmtuyến tính (1 ≤ i ≤ m1, 1 ≤ j ≤ m2) và X = (R+)n

- Quy hoạch phi tuyến: là dạng tổng quát của các bài toán quy hoạch, trong

đó hàm mục tiêu f hoặc các hàm ràng buộc gi, hj (1 ≤ i ≤ m1, 1 ≤ j ≤ m2)

có chứa các thành phần phi tuyến Trong các bài toán quy hoạch phi tuyếnthì dạng được nghiên cứu nhiều hơn cả là quy hoạch lồi và một trường hợpđặc biệt của nó là quy hoạch toàn phương

- Quy hoạch lồi: hàm mục tiêu f là hàm lồi và D được ràng buộc bởi hệ

 gi(x ) ≤ 0voi ∀ i = 1, 2, , m

Trong đó gi(1 ≤ i ≤ m) là hàm lồi và tập X là tập lồi

- Quy hoạch toàn phương: f là hàm toàn phương f (x ) = (x , Ax )+α với A là

ma trận xác định dương, α là hằng số; các hàm ràng buộc gi, hj (1 ≤ i ≤

m1, 1 ≤ j ≤ m2) đều là các hàm tuyến tính

- Quy hoạch nguyên: là loại bài toán mà các tham số chỉ nhận giá trị nguyên,hay D là một tập con của Zn Hình thức phổ biến nhất của quy hoạchnguyên là các bài toán tối ưu hóa tổ hợp Đây là các bài toán xuất hiện khithực hiện tối ưu hóa các cấu trúc rời rạc Trong trường hợp này, miền ràngbuộc D là tập con của Nn hoặc {0, 1}n [69]

Trên thực tế, có những tình huống thông tin về các yếu tố ảnh hưởng nênđối tượng không được xác định rõ ràng mà qua các ràng buộc có tính chất ngẫunhiên Trong các trường hợp đó, quá trình tối ưu hóa được mô tả bằng các bàitoán quy hoạch ngẫu nhiên: các hàm mục tiêu f1, f2, , fm là hàm ngẫu nhiên nchiều Chi tiết về một số lớp bài toán quy hoạch khác và kỹ thuật giải chúng đượctrình bày trong [14] Trong luận án này tác giả tập trung sử dụng các thuật toántiến hóa để giải các bài toán tối ưu trong mạng máy tính

1.3 Các thuật toán tiến hóa

Trong khoa học máy tính, chiến lược tiến hóa (ES) là một kỹ thuật tối ưuhóa dựa trên những ý tưởng của sự thích nghi và tiến hóa Chiến lược tiến hóa làmột lớp con của việc tìm kiếm trực tiếp rất tự nhiên (và tối ưu), là những phươngthức thuộc vào lớp của những thuật toán tiến hóa (EAs) Nó sử dụng sự đột biến,

sự lai ghép, và sự lựa chọn thích ứng tới một quần thể của những cá thể chứanhững giải pháp được đề xuất theo trình tự để tiến hóa lặp lại tốt hơn và nhữnggiải pháp tốt hơn Dữ liệu đặc trưng của từng cá thể là những tham số sẽ đượctối ưu hóa trong một quá trình tiến hóa cơ bản Những tham số sẽ được sắp xếp

trong những vector của những số thực, những thao tác cho sự lai ghép và đột biếnđược định nghĩa.

Chiến lược tiến hóa (ES) [31] được phát triển tại trường đại học Kỹ ThuậtBerlin vào những năm 1960 và 1970 bởi Ingo Rechenberg (Rechenberg 1973) HansPeter Schwefel (Schwefel 1981), giới thiệu sự lai ghép và những quần thể với nhiềuhơn một cá thể, và cung cấp được sự so sánh của ESs với kỹ thuật tối ưu hóatruyền thống hơn Chiến lược tiến hóa không dựa vào sự mô phỏng chi tiết củanhững phương pháp được tìm thấy với sự tiến hóa tự nhiên Mà có thể đã đượckết luận bởi việc quan sát những thuật ngữ: tiến hóa và chiến lược Trong sự tiếnhóa không có chiến lược Chiến lược tiến hóa đơn thuần tập chung vào dịch những

cơ chế cơ bản của sự tiến hóa sinh học cho những vấn đề kỹ thuật tối ưu

“Cái tốt hơn” và “cái tốt nhất ” là nhu cầu cơ bản của con người trong mọihoạt động và mọi lĩnh vực của đời sống: khoa học kỹ thuật, sản xuất công nghiệp,kinh tế, văn hóa, y tế, an ninh quốc phòng Những nhu cầu này và việc tìm ragiải pháp của nó, trong từng ngữ cảnh cụ thể, được phát biểu trong ngôn ngữ toánhọc thành những bài toán tối ưu hóa Số lượng và dạng thức của các bài toán ưuhóa là vô cùng phong phú Tuy nhiên, các kỹ thuật toán học mới chỉ tỏ ra hiệuquả với một số ít các lớp bài toán đó Những bài toán tối ưu hóa xuất hiện nhiều

và có ứng dụng lớn lại thường là những bài toán có độ “khó” rất cao và cho đếnhiện tại vẫn chưa có phương pháp toán học nào giải được chúng trong một giớihạn cho phép về thời gian và chi phí Với các bài toán này, bên cạnh các giải phápđược xây dựng theo lối kinh nghiệm, các phương pháp chính theo hướng tiếp cận

từ góc độ tính toán là phương pháp xấp xỉ và heuristic

Các phương pháp heuristic được đưa ra gần đây là phương pháp sử dụngtrí tuệ nhóm bầy: mô phỏng quá trình tìm kiếm lời giải tối ưu trong không giannghiệm khả thi của bài toán giống như quá trình tìm mồi của bầy đàn sinh vật.Tương tự như các giải thuật phỏng theo các quá trình tự nhiên khác, đây là thuậttoán tìm kiếm ngẫu nhiên có định hướng, cho phép giảm không gian tìm kiếm

mà vẫn có thể hội tụ đến nghiệm tối ưu Lợi thế của phương pháp này so với cácgiải thuật cùng loại là khối lượng tính toán thấp hơn do tính đơn giản trong cácphép toán mô phỏng Vì vậy, việc nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật sử dụng trítuệ nhóm bầy vào bài toán tối ưu hóa rời rạc có thể đem lại nhưng thuật toán mới

có hiệu năng cao hơn cả về độ phức tạp và chất lượng nghiệm

1.3.1 Thuật toán di truyền

Ý tưởng thuật toán di truyền được đề xuất bởi John Holland vào năm 1975.Lấy cảm hứng từ quá trình chọn lọc một cách ngẫu nhiên các cá thể thông qua sựtác động của môi trường tự nhiên Nếu cá thể nào có mức độ thích nghi cao với

sự tác động này thì chúng sẽ tiếp tục sống sót, ngược lại sẽ chúng sẽ bị loại bỏ Ý

tưởng này đã được áp dụng để giải quyết các bài toán tối ưu một mục tiêu bằngcách xấp xỉ các nghiệm thành biên Pareto từ một số nghiệm khởi tạo ban đầu.

Giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm) [26, 53] là một kỹ thuật củakhoa học máy tính nhằm tìm kiếm giải pháp thích hợp cho các bài toán tối ưu

tổ hợp (Combinatorial optimization) Giải thuật di truyền là một phân ngành củagiải thuật tiến hóa vận dụng các nguyên lý của tiến hóa như di truyền, đột biến,chọn lọc tự nhiên, và trao đổi chéo Giải thuật di truyền thường được ứng dụngnhằm sử dụng ngôn ngữ máy tính để mô phỏng quá trình tiến hoá của một tậphợp những đại diện trừu tượng (gọi là những nhiễm sắc thể ) của các giải pháp

có thể (gọi là những cá thể ) cho bài toán tối ưu hóa vấn đề Tập hợp này sẽ tiếntriển theo hướng chọn lọc những giải pháp tốt hơn Thông thường, những giảipháp được thể hiện dưới dạng nhị phân với những chuỗi 0 và 1, nhưng lại mangnhiều thông tin mã hóa khác nhau Quá trình tiến hóa xảy ra từ một tập hợpnhững cá thể hoàn toàn ngẫu nhiên ở tất cả các thế hệ Trong từng thế hệ, tínhthích nghi của tập hợp này được ước lượng, nhiều cá thể được chọn lọc định hướng

từ tập hợp hiện thời (dựa vào thể trạng), được sửa đổi (bằng đột biến hoặc tổ hợplại ) để hình thành một tập hợp mới Tập hợp này sẽ tiếp tục được chọn lọc lặp đilặp lại trong các thế hệ kế tiếp của giải thuật

Như đã nói ở trên, GA là một thành phần của thuật toán tiến hóa, một lĩnhvực được coi là có tốc độ phát triển nhanh của trí tuệ nhân tạo Các thuật toántiến hóa được chia ra thành 5 nhóm:

1 Giải thuật di truyền (GA): Dựa vào quá trình di truyền trong tự nhiên đểcải tiến lời giải qua các thế hệ bắt nguồn từ một tập các lời giải ban đầu

2 Quy hoạch tiến hoá (Evolutionary Programming -EP): Dựa vào quy luật tiếnhoá, tìm phương pháp liên hợp đủ khả năng giải quyết trọn vẹn một bài toán

từ một lớp các phương pháp giải quyết được một số phần của bài toán

3 Các chiến lược tiến hoá (Evolutionary Strategies -ES): Dựa trên một số chiếnlược ban đầu, tiến hoá để tạo ra những chiến lược mới phù hợp với môi trườngthực tế một cách tốt nhất

4 Lập trình di truyền (Genetic Programming-GP): Mở rộng giải thuật ditruyền trong lĩnh vực các chương trình của máy tính Mục đích của nó

là để sinh ra một cách tự động các chương trình máy tính giải quyết mộtcách tối ưu một vấn đề cụ thể

5 Các hệ thống phân loại (Classifier Systems-CS): Các GA đặc biệt được dùngtrong việc học máy và việc phát hiện các quy tắc trong các hệ dựa trên cácquy tắc

Thuật toán GA thuộc lớp các giải thuật xác suất nhưng lại rất khác các giảithuật ngẫu nhiên vì chúng kết hợp các phần tử tìm kiếm trực tiếp và ngẫu nhiên.Khác biệt quan trọng giữa tìm kiếm của thuật toán di truyền và các phương pháp