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

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 -

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 số bài toán tối ưu trong mạng không dây" là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa 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 Nguyễn Xuân Huy - những người đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian 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 Toán-Cơ-Tin học vì sự giúp đỡ và những đề xuất, trao đổi trong nghiên cứu rất hữu ích cho luận án Xin cảm ơn các Thầy, Cô và các anh chị em đã góp ý, cổ vũ động viên và sát cánh bên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Sau Đại học trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án Tôi cũng bày tỏ sự cảm ơn đến Hội đồng quản 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 luôn động 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

SA Simulate Annealing Algorithm Thuật toán luyện thép

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị thường trú

WLAN Wireless Local Area Network Mạng LAN không dây WMAN 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

4 Ảnh hưởng nhiễu lân cận C/A (Carrier/Adjacent), nhiễu đồng kênh C/I (Carrier/Interference),

Thành phố Đà Nẵng là đô thị loại một trực thuộc trung ương, là trung tâm kinh tế và là một trong những trung tâm văn hoá, giáo dục, khoa học và công nghệ lớn của khu vực miền Trung - Tây Nguyên, Việt Nam Với diện tích: 1.283,42 km2 bao gồm 06 quận: Hải Châu, Cẩm Lệ, Thanh Khê, Liên Chiểu, Ngũ Hành Sơn, Sơn Trà và 02 Huyện: Hòa Vang, Hoàng Sa và dân số: 926.018 người (2010) Thành phố Đà Nẵng được Nhà nước đầu tư xây dựng trở thành đầu mối viễn thông quan trọng của quốc gia và quốc tế, tạo ra cho Đà Nẵng một hạ tầng Công nghệ thông tin Truyền thông (CNTT-TT) có quy mô khá lớn và hiện đại Đến nay, hạ tầng CNTT, viễn thông và Internet tại thành phố Đà Nẵng đã có những bước phát triển vượt bậc, được mở rộng theo hướng dịch vụ đa dạng, phong phú với chất lượng ngày càng cao

Về truyền dẫn và kết nối: Các tuyến truyền dẫn quốc gia và quốc tế bảo đảm

độ ổn định cao nhờ kết hợp nhiều phương thức: cáp quang biển, cáp quang trên

bộ, cáp quang trên đường điện lực, vi ba và vệ tinh; Đà Nẵng là một trong 03 điểm kết cuối quan trọng nhất của mạng trung kế đường trục quốc gia (backbone) với tốc độ đường truyền 310Gbps và điểm kết nối trực tiếp quốc tế với tốc độ đường truyền 18,122 Gbps Tổng dung lượng đường truyền nội hạt là 39 Gbps

Về điện thoại: Tính đến thời điểm hiện nay, mạng lưới cung cấp dịch vụ điện thoại cố định (hữu tuyến và vô tuyến) tại Đà Nẵng đã phát triển rộng khắp đến 100% thôn, tổ Đến năm 2010, thành phố có 221.000 thuê bao điện thoại cố định, đạt mật độ 27 máy/100 dân, cao hơn mức bình quân của cả nước là 13,4 máy/100 dân, tăng gần 3,2 lần so với năm 2001 (8,18 máy/100 dân); Có khoảng 1.516.000 thuê bao điện thoại di động, đạt tỷ lệ 194 thuê bao/100 dân, tăng 16 lần so với năm 2001

Về Internet, máy tính: Đến năm 2010, tỷ lệ thuê bao Internet là 110.000 thuê bao các loại, đạt mật độ 13 thuê bao/100 dân (trong đó 66% là thuê bao băng rộng); 100% xã có Internet; số lượng máy tính trong cộng đồng là 0,38 máy tính/hộ; đối với doanh nghiệp tỷ lệ kết nối Internet đạt 78% (không kể doanh nghiệp tư nhân), số lượng máy tính bình quân 12,5 máy/doanh nghiệp, trong đó 47% kết nối mạng cục bộ

Với sự phát triển về hạng tầng di động trên, chúng tôi đã áp dụng thuật toán trên để đưa ra các phương án sử dụng chung cơ sở hạ tầng với từng loại trạm và từng khu vực tại Đà Nẵng với các phương án lựa chọn tối ưu vị trí thiết lập các trạm BSC Số lượng, chủng loại cũng như định hướng sử dụng chung cơ sở hạ tầng được đề xuất khi thực hiện thuật toán trên cơ sở hạ tầng mạng hiện có tại các đơn vị hành chính của Đà Nẵng được cho trong bảng sau:

Bảng 3.7: Đề xuất qui hoạch trạm BTS tại Đà Nẵng

Loại 1 Loại 2 Loại 1 Loại 2 Số BSC R

thiết lập (km/trạm)

3.2 Tối ưu truy cập tập trung trong mạng không dây

Mạng truy cập trong kiến trúc hệ thống di động tế bào gồm 4 tầng tương tác: tương tác giữa các trạm di động (mobile station-MS) hay tập các người dùng đến các trạm thu phát sóng cơ sở (base transceiver stations-BTS), tương tác giữa các trạm thu phát sóng cơ sở với các trung tâm chuyển mạch di động (mobile switching centers-MSC), và tương tác giữa các trung tâm chuyển mạch di động với tổng đài truy cập tập trung (local exchanges-LE) trong mạng PSTN [27, 50] Kiến trúc mạng truy cập được mô tả như Hình 3.7

Mạng truy nhập không dây có rất nhiều ích lợi và ưu điểm khi xét trên nhiều góc độ Đối với người sử dụng, lợi ích chính của mạng này là dễ sử dụng và ưu thế

về tính di động Ưu thế này được thể hiện khá rõ trong một số ứng dụng Ngày nay, chất lượng làm việc của các công ty lớn phụ thuộc rất nhiều vào tính mềm dẻo và linh động của các nhóm làm việc

Hình 3.7: Kiến trúc mạng truy cập không dây

3.2.1 Mô hình hóa và phát biểu bài toán

Để mô hình bài toán tối ưu truy cập mạng không dây tập trung, chúng ta định nghĩa các ký hiệu sau:

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

T 1 , T 2 , , T N Tập N trạm BTS với các vị trí biết trước

S 1 , S 2 , , S M Tập các vị trí có thể của trạm MSC

C = (cij)N ×M +1 Ma trận chi phí kết nối giữa BTS Ti đến MSC Sj

F = (f 0 , f 1 , , f M ) Chi phí kết nối từ trạm MSC tại S j đến trạm trung tâm LE S 0

B = (b0, b1, , bM) Chi phí duy trì trạm MSC tại Sj

P = (p 0 , p 1 , , p M ) Ràng buộc về dung lượng tối đa của các MSC.

Mô hình mạng truy cập tập trung [41] đơn giản được mô tả như sau: Gọi N

là số trạm BTS, giả sử vị trí các trạm đã biết trước Gọi M là số vị trí tiềm năng nơi có thể thiết lập các trạm MSC để kết nối các BTS, các BTS có thể kết nối trực tiếp đến trung tâm LE, S0 như được thể hiện trong Hình 3.8

Hình 3.8: Mô hình mạng truy cập không dây

Hình 3.9 biểu diễn kiến trúc kiến trúc truy cập mạng gồm 1 LE, 2 MSC, 4 BTS và 18 MSs Giả sử rằng MSC tại vị trí Sj có thể đáp ứng tối đa được Pj BTS theo ràng buộc về giới hạn phần cứng và dung lượng kết nối của MSC đến LE và trạm LE trung tâm không chịu ràng buộc về giới hạn về dung lượng đáp ứng Gọi cij là chi phí kết nối từ trạm BTS Ti đến trạm MSC Sj hoặc đến trạm trung tâm S0 Chi phí cij được hiểu là chi phí đáp ứng kết nối cho tất cả các BTS

và MSC (ví dụ: chi phí transmission cabling, interfacing, maintenance, leasing) Lưu ý rằng, có thể trạm BTS được xác lập tại chính vị trí của MSC khi đó cij = 0

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

Ta có thể biểu diễn các thành phần cij dưới dạng ma trận như sau:

C = (cij)N ×M +1=











c10 c11 c1M

c20 c21 c2M

. . .

cN 0 cN 1 cNM











(3.10)

Trong đó, có thể không có trạm MSC nào được sử dụng hoặc tất cả M trạm MSC được sử dụng, mỗi một trạm MSC ở vị trí Sj sẽ phục vụ tối đa một tập con các trạm BTS do bị giới hạn về phần cứng và ràng buộc về dung lượng kết nối giữa trạm MSC đến trạm LE Ở đây, ta giả sử rằng trạm LE trung tâm không bị giới hạn về dung lượng

Nếu trạm MSC Sj được sử dụng đồng nghĩa với việc chúng ta phải ghi nhận chi phí kết nối trạm MSC Sj đến trạm trung tâm LE S0 là fj và chi phí duy trì hoạt động của trạm MSC Sj là bj Hai vectơ chi phí kết nối và chi phí duy trì lần lượt là:

và

Giả sử rằng chi phí của trạm trung tâm LE là không tính được, nghĩa là

b0 = 0 và f0 = 0 Tương tự, ta có ràng buộc về số trạm phục vụ của trạm MSC được biểu diễn bằng vectơ:

Trong đó pj là số lượng tối đa trạm BTS mà MSC Sj có thể phục vụ được với

p0 = N (giả sử trạm trung tâm LE có thể phục vụ tất cả N trạm BTS)

Bài toán thiết kế kiến trúc mạng được xác định bởi ma trận X sau:

X = (xij)N ×M +1=











x10 x11 x1M

x20 x21 x2M

. . .

xN 0 xN 1 xNM











(3.14)

trong đó, thành phần xij(i = 1 N , j = 0 M ) được xác định như sau:

xij = 1 Nếu BTS Ti được kết nối đến MSC Sj

Chú ý rằng, một trạm BTS có thể kết nối đến một trong M MSC hoặc kết nối trực tiếp đến LE Do đó, trên mỗi dòng của ma trận X sẽ có một và chỉ một giá trị bằng 1 Hơn nữa, số lượng số 1 trong cột j thể hiện số BTS được kết nối đến MSC Sj Vì vậy, nếu trong ma trận tồn tại một cột nào mà toàn các phần tử bằng 0 chứng tỏ MSC ở vị trí đó không được sử dụng Từ đó, ta có thể biểu diễn các trạm MSC được sử dụng từ ma trận X bằng vectơ sau:

trong đó, thành phần yj(j = 0 M ) được xác định như sau:

yj =











1 Nếu Sj được sử dụng tức là

N

P

i =1

xij > 0

0 Nếu Sj không được sử dụng tức là

N

P

i =1

xij = 0

(3.17)

Hàm mục của bài toán là tối thiết chi phí kết nối được mô tả như sau:

Z =

N

X

i =1

M

X

j =0

(cij×xij)+

M

X

j =0

(fj×yj)+

M

X

j =0

(bj×yj)

⇔ Z = sumdiag(C ×XT)+F ×YT+B ×YT

(3.18)

Thành phần đầu tiên thể hiện chi phí kết nối từ N BTS đến M MSC được sử dụng hoặc đến LE, thành phần thứ 2 thể hiện chi phí kết nối từ các MSC đến LE,

và cuối cùng là chi phí duy trì đối với các MSC được sử dụng Trong đó, XT là

ma trận, YT là vectơ chuyển vị và sumdiag(A) là hàm tính tổng các thành phần trong ma trận A