Tài liệu Phát triển thuật toán tiến hóa giải vài 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 - 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: i 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 ToánCơ-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. ii Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục từ viết tắt vi Danh mục bảng viii Danh mục hình vẽ ix Mở đầu 1 1 Tổng quan về tối ưu mạng 1.1 Mạng không dây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.1 Mạng cá nhân không dây . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.2 Mạng cục bộ không dây . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.3 Mạng Ad-hoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.4 Mạng đô thị không dây . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.5 Mạng lưới không dây . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Sự phát triển của mạng thông tin di động . . . . . . . . . 1.2 Các vấn đề của tối ưu mạng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Các vấn đề mở đối với mạng không dây . . . . . . . . . . . 1.2.2 Bài toán tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Các thuật toán tiến hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Thuật toán di truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Thuật toán tối ưu hóa đàn kiến . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Thuật toán tối ưu hóa nhóm bầy . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.1 Giới thiệu chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.2 Các thành phần cơ bản của thuật toán . . . . . . 1.3.3.3 Thuật toán PSO dạng Constriction . . . . . . . . 1.3.3.4 Thuật toán PSO–TVIW và PSO–RANDIW . . . 1.3.3.5 Thuật toán PSO-TVAC . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.6 Thuật toán MPSO–TVAC . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.7 Thuật toán SOHPSO–TVAC . . . . . . . . . . . 1.3.3.8 Sự kết hợp giữa phương pháp PSO và các phương pháp khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.9 Thuật toán SWT-PSO . . . . . . . . . . . . . . . iii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 5 6 6 6 8 9 10 13 20 22 25 26 27 31 34 34 36 37 38 39 40 40 . 41 . 42 1.4 1.3.3.10 Thuật toán PSO tổng quát . . . . . . . . . . . . . 44 Kết chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2 Tối ưu thông lượng trong mạng 2.1 Tối ưu thông lượng trong mạng lưới không dây . . . . . . . . . . 2.1.1 Mô hình hóa và phát biểu bài toán . . . . . . . . . . . . 2.1.1.1 Kiến trúc hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1.2 Mô hình truyền thông . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1.3 Thông lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1.4 Trọng số MTW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1.5 Chia sẻ hiệu suất sử dụng các Gateway . . . . . 2.1.1.6 Lập trình tính toán thông lượng . . . . . . . . . 2.1.1.7 Phân tích, đánh giá các phương pháp . . . . . . 2.1.2 Đặt gateway hiệu quả sử dụng thuật toán PSO . . . . . 2.1.2.1 Biểu diễn của một phần tử . . . . . . . . . . . 2.1.2.2 Khởi tạo quần thể ban đầu . . . . . . . . . . . 2.1.2.3 Hàm đo độ thích nghi . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2.4 Quá trình tiến hóa . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2.5 Quá trình dừng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2.6 Mô tả thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.1 Tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.2 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Truyền thông Broadcast và cây truyền thông tối ưu . . . . . . . 2.2.1 Bài toán cây khung truyền thông tối ưu . . . . . . . . . 2.2.2 Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.1 Mã hóa tập cạnh . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.2 Mã hóa Prufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.3 Mã hóa liên kết cạnh và nút (LNB) . . . . . . . 2.2.2.4 Mã hóa NetKeys . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.5 Mã hóa CB-TCR . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Tối ưu cây khung truyền thông sử dụng thuật toán PSO 2.2.3.1 Mã hóa và giải mã . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.2 Mô tả thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4.1 Tham số thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4.2 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Kết chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Tối ưu truy cập mạng 3.1 Đặt trạm cơ sở trong mạng thông tin di động . . . . . . . . 3.1.1 Mô hình hóa và phát biểu bài toán . . . . . . . . . . 3.1.2 Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Tối ưu đặt trạm điều khiển sử dụng thuật toán PSO iv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 47 48 48 49 50 50 52 54 59 59 60 60 60 61 61 61 61 61 62 65 66 68 69 70 70 70 70 71 71 73 74 74 75 76 . . . . 78 79 79 81 85 3.1.3.1 3.1.3.2 Kết quả 3.1.4.1 3.2 3.3 Mã hóa cá thể . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mô tả thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . Mô hình thực nghiệm và thiết lập tham số cho các thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4.2 Phân tích, đánh giá các thuật toán . . . . . . . . 3.1.4.3 Áp dụng thử nghiệm tại thành phố Đà Nẵng . . Tối ưu truy cập tập trung trong mạng không dây . . . . . . . . . 3.2.1 Mô hình hóa và phát biểu bài toán . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Tối ưu truy cập tập trung sử dụng thuật toán PSO . . . . 3.2.3.1 Mã hóa cá thể . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3.2 Mô tả thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4.1 Mô hình thực nghiệm và thiết lập tham số cho các thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4.2 Phân tích, đánh giá các thuật toán . . . . . . . . Kết chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 . 87 . 87 . . . . . . . . . . 87 87 90 94 95 98 99 99 99 100 . 100 . 100 . 101 Kết luận 102 Danh mục công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án 104 Tài liệu tham khảo 105 v Danh mục từ viết tắt Viết tắt Dạng đầy đủ Diễn giải ACO Ant Colony Optimization Tối ưu đàn kiến BSC Base Station Controller Trạm điều khiển cơ sở BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc BTS Base Transmitter Station Trạm thu phát sóng cơ sở CN Core Network Mạng lõi CS Classifier Systems Hệ thống phân lớp CST Communication Spanning Tree Cây truyền thông EC Evolutionary Computing Thuật toán tiến hóa EP Evolutionary Programming Lập trình tiến hóa ES Evolutionary Strategies Các chiến lược tiến hóa FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia tần số GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền GoS Grade of Service Cấp độ dịch vụ GP Genetic Programming Lập trình di truyền GSMC Gateway Mobile Service Center Trung tâm dịch vụ di động HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú LAN Local Area Network Mạng cục bộ LE Local Exchanges Tổng đài truy cập tập trung MANET Mobile Adhoc Network Mạng di động Ad-hoc MS Mobile Station Trạm di động cơ sở MSC Mobile Switch Controller Tổng đài chuyển mạch MTW Multihop Traffic-flow weight Trọng số lưu lượng đa chặng NGN Next Generation Network Mạng thế hệ mới PSO Particle Swarm Optimization Tối ưu nhóm bầy SA Simulate Annealing Algorithm Thuật toán luyện thép SS Switching Sub System Hệ thống chuyển mạch con TA Terminal Assignment Đặt trạm đầu cuối VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị thường trú vi WLAN Wireless Local Area Network Mạng LAN không dây WMAN Wireless Metropolitan Area Network Mạng di động đô thị WMN Wireless Mesh Network Mạng lưới không dây WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây WMN Wireless Mesh Network Mạng lưới không dây vii Danh mục bảng 2.1 2.2 2.3 2.6 2.7 2.8 Tính toán hiệu suất chia sẻ giữa các gateway . . . . . . . . . . . . . . . Các tham số thiết lập khi chạy thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh thông lượng đạt được khi đặt gateway theo thuật toán GA, PSO, ACO và MTW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh thông lượng thấp nhất của mỗi client khi đặt gateway theo thuật toán GA, PSO, ACO và MTW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh thông lượng trung bình của các gateway theo thuật toán GA, PSO, ACO và MTW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bộ dữ liệu mạng của 12 nút và 40 cạnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . Các tham số thiết lập khi chạy thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh kết quả thực thi của các thuật toán trên bộ dữ liệu chuẩn . . . . . . . 63 73 75 76 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Qui ước các ký hiệu dùng trong bài toán TA . . . . . . . . . . Qui ước các ký hiệu dùng trong bài toán đặt trạm điều khiển . Ví dụ về bài toán TA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thông tin về bộ dữ liệu thực nghiệm đặt trạm điều khiển . . . Các tham số thiết lập khi chạy thuật toán . . . . . . . . . . . . So sánh hàm mục tiêu của các thuật toán . . . . . . . . . . . . Đề xuất qui hoạch trạm BTS tại Đà Nẵng . . . . . . . . . . . . Định nghĩa các ký hiệu dùng trong bài toán truy cập tập trung Thông tin về bộ dữ liệu thực nghiệm tối ưu truy cập . . . . . . Các tham số thiết lập khi chạy thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 80 82 88 88 88 94 95 100 100 2.4 2.5 viii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 . 62 . 62 . 63 Danh mục hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 Kiến trúc mạng lưới không dây . . . . . . . . . Kết nối điểm-điểm . . . . . . . . . . . . . . . . Kết nối điểm–đa điểm . . . . . . . . . . . . . . Kết nối đa điểm – đa điểm . . . . . . . . . . . Mô hình hệ thống thông tin di động GSM . . . Lộ trình phát triển của thông tin di động . . . Kiến trúc mạng di động không dây . . . . . . . Quá trình quy hoạch mạng . . . . . . . . . . . Sơ đồ tổng quát của thuật toán di truyền . . . Thí nghiệm đàn kiến 1 . . . . . . . . . . . . . . Thí nghiệm đàn kiến 2 . . . . . . . . . . . . . . Sơ đồ tổng quát của thuật toán tối ưu đàn kiến Quy luật chuyển động của bầy đàn . . . . . . . Quy luật tìm tổ của bầy đàn . . . . . . . . . . Vị trí cá thể trong quần thể . . . . . . . . . . . Sơ đồ tổng quát của thuật toán PSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 12 12 12 13 14 15 22 29 31 32 33 35 35 36 45 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Kiến trúc mạng WMN có các gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ví dụ về tính Multi-hop Traffic-Flow Weight . . . . . . . . . . . . . . . Ví dụ về tính hiệu suất chia sẻ giữa các gateway . . . . . . . . . . . . . Một kế hoạch lập lịch TDMA trong truyền thông lõi với SRD=3 . . . . Ví dụ về lập lịch lưu lượng trong truyền thông lõi . . . . . . . . . . . . . Một kế hoạch lập lịch phân chia khe thời gian trong truyền thông cục bộ với CRF=4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh thông lượng trung bình của Client trong kịch bản 4 . . . . . . . So sánh thông lượng trong trường hợp xấu nhất của kịch bản 4 . . . . . So sánh thông lượng trung bình của Client trong kịch bản 5 . . . . . . . So sánh thông lượng trong trường hợp xấu nhất của kịch bản 5 . . . . Các cây khung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trường hợp của Palmer 6 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hai cây khung truyền thông của Palmer 6 nút . . . . . . . . . . . . . . . Ma trận khoảng cách của đồ thị G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ma trận khoảng cách của đồ thị G sau khi biến đổi . . . . . . . . . . . . Cây khung tối ưu mới được xây dựng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mạng truyền thông tối ưu với 12 nút và 40 cạnh . . . . . . . . . . . . . So sánh tổng thời gian trễ trung bình của các thuật toán với các cách mã hóa khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh thời gian xử lý của các thuật toán với lớp bài toán Palmer . . . So sánh thời gian xử lý của các thuật toán với lớp bài toán Raidl . . . . Kết quả so sánh hàm mục tiêu giữa các thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 51 53 55 56 . . . . . . . . . . . . 58 64 64 64 65 66 68 68 72 72 72 73 . . . . 75 77 77 77 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 ix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 Bài toán đặt trạm điều khiển trong mạng không dây . . . . . Phương án tối ưu vị trí các trạm BSC của thuật toán Greedy Phương án tối ưu của bài toán TA . . . . . . . . . . . . . . . Đồ thị cấu trúc của bài toán đặt trạm BSC . . . . . . . . . . So sánh thời gian thực hiện của các thuật toán . . . . . . . . So sánh các phương án tối ưu của bài toán #4 giữa các thuật Kiến trúc mạng truy cập không dây . . . . . . . . . . . . . . Mô hình mạng truy cập không dây . . . . . . . . . . . . . . . Mô hình mạng truy cập không dây theo kiến trúc cây . . . . So sánh hàm mục tiêu giữa các thuật toán . . . . . . . . . . . So sánh thời gian thực thi giữa các thuật toán . . . . . . . . . x . . . . . . . . . . . . . . . toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 82 84 86 89 89 94 95 96 101 101 Mở đầu Ngày nay, mạng máy tính đã trở thành một cơ sở hạ tầng quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu và sự ra đời của Internet đã làm thay đổi mạnh mẽ của cuộc sống con người. Trong cuộc cách mạng này, bên cạnh sự tiến bộ về mặt công nghệ thì vai trò của việc nghiên cứu và đề xuất các thuật toán mới cũng có ý nghĩa hết sức quan trọng. Để đưa ra được giải pháp hữu hiệu cho một vấn đề thực tế cần sự hiểu biết cả lý thuyết thuật toán và các phương tiện kỹ thuật. Một trong những vấn đề đáng quan tâm nhất của mạng máy tính là hiệu năng mạng. Hiệu năng 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 dựa trên 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 thời gian qua như là nền tảng điều khiển của sự phát triển kinh tế, đầu tiên là theo hình 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 độ phát 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 một tập 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 lai các 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 sử dụng một khoảng không gian sẽ trở nên tắc nghẽn và không thể định tuyến 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 tắc nghẽn đang tồn tại, và tránh việc tạo ra khu vực bị tắc nghẽn mới. 1 Bằng cách hiểu các thuộc tính của các kênh sóng vô tuyến, QoS có thể được quản lý một cách hiệu quả hơn và các kênh cũng được sử dụng hiệu quả hơn. (b) Sự cung cấp băng thông thông minh: Đây là một thách thức chính trong các 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 phát băng thông động là cần thiết để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện đã được tích hợp với các yêu cầu QoS. 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 hệ với nhau để kết nối chuyển giao giữa các vùng. Các thuật toán định tuyến truyền thống không xem xét đầy đủ khoảng thời gian có thể cho việc truy cập bởi các thiết bị đầu cuối trong suốt quá trình xử lý chuyển giao. Đó là mong muốn để tạo ra các thuật toán định tuyến mới có thể duy trì hiệu suất end-to-end với những cân nhắc đầy đủ về quá trình bàn giao trong mạng không đồng nhất. Như vậy việc hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực là đặc biệt 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 tồn tại 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 xác định 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 mạng không dây; và các kỹ thuật riêng biệt cho việc thiết kế an ninh trong mạng 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 mục tiêu nào đó [14]. Đa số các bài toán này thuộc lớp NP-khó. Trừ các bài toán cỡ nhỏ có thể tìm lời giải bằng cách tìm kiếm vét cạn, còn lại thường không thể tìm được lời giải tối ưu với các thuật toán có độ phức tạp đa thức. Đối với các bài toán có không gian tìm kiếm lớn không có phương pháp giải đúng [69], thì cách tiếp 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 quy tắc 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]. 2 3. Tìm lời giải gần đúng nhờ các thuật toán mô phỏng tự nhiên như phỏng tôi luyện (Simulated Annealing-SA) [37], giải thuật di truyền (Genetic Algorithm-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 lời giải tìm được, nên cách tiếp cận thứ ba đang được sử dụng rộng rãi cho các bài toán cỡ lớn. Trong cách tiếp cận thứ ba, thuật toán đàn kiến ACO được Dorio giới thiệu năm 1999 [16] đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi giải các bài toán khó 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 giải các bài toán tối ưu toàn cục do sử dụng các thông tin toàn cục. Tuy nhiên các phép toán di truyền (lai ghép và đột biến) trong quá trình tiến hóa thường tiêu tốn 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 chim hay 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 bài toán quy hoạch mạng. Thêm nữa, khoảng một thập kỷ nay, công nghệ không dây đã và đang phát triển không ngừng, đem lại vô số tiện lợi cho người dùng và đang thay thế hầu hết 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 với cách 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 vai trò quan trọng trong việc quyết định năng lực phục vụ cũng như khả năng nâng cấp mạng. Tất cả các nhu cầu xuất phát từ phần mạng truy nhập đều phải thông qua xử lý của phần mạng lõi, và bất cứ những sự thay đổi nào cũng đều dựa trên khả năng phục vụ của phần CN. Vì vậy việc nghiên cứu tính toán và tối ưu dung lượng mạng lõi CN là hết sức quan trọng [11, 28, 55, 60, 61, 65, 66, 73]. (ii) Tối ưu thông lượng trong mạng lưới không dây: Để xác định vị trí gateway nhằm đạt thông lượng cực đại, một độ đo hiệu năng được sử dụng gọi là Multihop Traffic flow weight nhằm tính toán những nhân tố ảnh hưởng đến thông lượng của mạng WMNs [4, 45, 59, 64] (iii) Tối ưu truy cập trong mạng không dây: Xác định các base station trong mạng không dây là một trong những khâu quan trọng của quá trình thiết kế mạng không dây. Việc định vị các base station trong mạng không dây liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau như lưu lượng mạng , kênh truyền, kịch bản can thiệp, số lượng Base Stations và các thông số quy hoạch mạng khác. Sau khi tối ưu được vị trí các trạm Base Stations, công việc tiếp theo chúng tôi tiếp cận là tối ưu truy cập tập trung trong mạng không dây với sự kết hợp giữa các BTS, MSC và LE [2, 21, 23, 24, 42, 47, 49, 50, 74]. 3 Với các mục tiêu hướng đến như đã phân tích ở trên, cấu trúc của luận án được tổ chức như sau: - Chương 1: Trình bày tổng quan về tối ưu mạng. Trong chương này, phần đầu luận án giới thiệu tổng quan về mạng không dây, các vấn đề của tối ưu mạng. 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 thiệu trong Chương 1. - Chương 2: Luận án tập trung nghiên cứu và phân tích hai bài toán đặt gateway hiệu quả trong mạng lưới không dây và bài toán cây truyền thông tối ưu nhằm tối thiểu hóa việc sử dụng tài nguyên với đặt trưng truyền thông broadcast trong các mạng di động. Từ đó, đề xuất thuật toán nhóm bầy để tối ưu thông lượng của các client trong mạng không dây dựa trên việc thiết lập vị trí các Router hợp lý. Sau đó, luận án giải quyết bài toán cây khung truyền 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 truy cập. Với mục tiêu hướng đến là tối thiểu chi phí kết nối giữa các thiết bị trong 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 ưu hóa 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 người dùng 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, giới hạn về khả năng kết nối, băng thông của các switch chuyển mạch cũng như các trạm cơ sở. 2. Đề xuất cách mã hóa và giải mã mới (mã hóa dựa trên số nguyên và mã hóa dựa trên số thực) phù hợp của các cá thể đối với thuật toán PSO để giải quyết 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 đăng trong kỷ yếu hội nghị quốc tế, 2 bài báo đăng trên các tạp chí quốc tế, 1 bài đăng trên tạp chí trong nước và 4 bài trong kỷ yếu hội quốc gia chuyên ngành. 4 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 trung nghiên 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 phổ biến, 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 mà chúng ta sử dụng các kỹ thuật khác nhau. Hiện nay, hệ thống mạng không dây đã được triển khai rộng rãi nhất trên toàn thế giới. Thành công của các mạng không dây do tính hiệu quả, giá thành rẻ, dễ dàng lắp đặt, triển khai mà vẫn đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu khá cao. Ra đời trong bối cảnh nhu cầu liên lạc giao tiếp xã hội ngày càng cao, các ứng dụng truyền thông đa phương tiện đang khẳng định vai trò và ý nghĩa quan trọng của mình một cách mạnh mẽ. Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện xuất hiện ở nhiều nơi, nhiều lúc và trong nhiều lĩnh vực, từ đời sống thường nhật, giao tiếp 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 sử dụng lớn của các ứng dụng đa phương tiện trở thành một xu hướng tất yếu, đầy tiềm năng. Với những tiến bộ của công nghệ hình ảnh, âm thanh cùng với mong muốn của người dùng thì các ứng dụng đa phương tiện luôn luôn có nhu cầu sử dụng đường truyền cả về tốc độ và chất lượng vượt trước khả năng đáp ứng của phương tiện. Đây chính là vấn đề mà bài toán tối ưu mạng cần phải giải quyết. 1.1 1.1.1 Mạng không dây 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 quan trọng 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 5 dụng như: mạng LAN (Local Area Network ), WAN (Wide Area Networks),...thì đối với hệ thống mạng không dây, chúng ta cũng có sự phân loại theo quy mô và phạm 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 cá nhân, WLAN (Wireless Local Area Network) IEEE 802.11 dành cho mạng cục bộ, WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) IEEE 802.16 dành cho mạng đô thị và mạng WWAN (Wireless Wide Area Networks) IEEE 802.20 cho mạng diện rộng. Sau đây tác giả sẽ giới thiệu tóm tắt một số đặc điểm chính của các mạng không dây [9, 17]. 1.1.2 1.1.2.1 Phân loại 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 mới trở nên thông dụng ở các thiết bị từ máy tính xách tay đến các thiết bị hỗ trợ cá nhân không dây. Công nghệ Bluetooth hiện đang có xu hướng sử dụng thay thế cáp ngoại vi cho một số các thiết bị, hơn là công cụ nhằm cho phép một số lượng lớn các thiết bị trong nhà hoặc văn phòng cho phép giao tiếp trực tiếp với nhau không cần dây cáp. Viện công nghệ Điện và Điện tử IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đã đưa ra chuẩn 802.15 và được sử dụng trong mạng WPAN với các tốc 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 nối không dây băng thông hẹp, cho phép các thiết bị máy tính xách tay, chuột, bàn phím, 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 thông qua 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, bệnh viện, công ty và công cộng,...Có hai công nghệ chính được sử dụng để truyền thông trong 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 xa hơn, lâu hơn, rộng hơn, và có băng thông cao hơn. LAN cũng có hai dạng kiến trúc là WLAN có cơ sở hạ tầng (sử dụng các Access Point hoặc trạm cơ sở Base Station) để kết nối phần mạng không dây với phần mạng có dây truyền thống và mạng không có cơ sở hạ tầng (mạng Ad-hoc) [72]. 6 Mạng WLAN có ưu điểm khi truy cập mạng không cần phải có dây cáp mà chỉ 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. Nó cho phép người dùng có thể dễ dàng truy xuất tài nguyên từ bất cứ nơi đâu trong vùng phủ sóng mạng (một tòa nhà hay các văn phòng trong công ty,...). Đặc biệt hiện nay các thiết bị di động nhỏ và dễ dàng di chuyển như PDA, máy tính xách tay có hỗ trợ bộ thu phát vô tuyến ngày càng được sử dụng nhiều thì đây là một điều vô cùng thuận lợi. Khả năng linh động của mạng không dây được thể hiện rõ nhất ở việc người dùng có thể truy cập mạng ở bất cứ nơi đâu. Không giống như mạng có dây truyền thống, để thiết lập mạng chúng ta cần có những tính toán cụ thể cho từng mô hình rất phức tạp thì với mạng không dây, chỉ cần các thiết bị tuân theo một chuẩn nhất định và một điểm truy cập, hệ thống mạng đã có thể hoạt động bình thường. Với mạng không dây, khi có thêm các nút mới gia nhập mạng, điều đó rất là dễ dàng và tiện lợi; chỉ cần bật bộ thu phát không dây trên thiết 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 như không thể tránh được. Trong những điều kiện như vậy, mạng không dây vẫn có thể 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 mạng không dây. Do truyền thông trong mạng không dây là truyền thông trong một môi 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 không dây là kém hơn. Do đó, vấn đề bảo mật cho mạng không dây là vấn đề vô cùng quan trọng và được đặc biệt quan tâm. Vì các thiết bị sử dụng sóng vô tuyến để truyền 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 ảnh hưởng của môi trường thời tiết là không tránh khỏi. Các hiện tượng đó làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng. Chất lượng dịch vụ của mạng không dây kém hơn so với mạng có dây vì mạng không dây có tốc độ chậm hơn (chỉ đạt từ 1-10Mbit/s), độ trễ cao hơn, tỉ lệ lỗi cũng nhiều hơn (tỉ lệ lỗi là 10-4 so với 10-10 của mạng sử dụng cáp quang). Tuy vậy, theo một số chuẩn mới, ở một số môi trường truyền đặc biệt, việc truyền thông trong mạng không dây cũng có thể đạt được tốc độ cao hơn đáng kể, ví dụ như trong chuẩn 802.11n việc truyền thông có thể 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 một trở ngại cho sự phát triển của mạng không dây. Tiếp đó là vấn đề độc quyền trong các sản phẩm. Nhiều thiết bị và sản phẩm chỉ có thể hoạt động được nếu sử dụng phần cứng hoặc phần mềm của công ty sản xuất nào đó, và phải hoạt động theo quy định của quốc gia mà nó đang được sử dụng. Các tần số phát cũng được các quốc gia quy định nhằm tránh việc xung đột sóng vô tuyến của các mạng khác nhau. Do đó, việc sản xuất các sản phẩm cho mạng WLAN cần phải chú ý đến quy định của từng quốc gia. Cuối cùng là phạm vi phủ sóng của mạng không dây, 7 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 ra thành hai mô hình chính, đó là mô hình mạng không dây có cơ sở hạ tầng và mô hình mạng không dây không có cơ sở hạ tầng Ad-hoc. Các kiến trúc mạng này được đưa ra nhằm làm cho mạng không dây dần thoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào mạng cơ sở hạ tầng. Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính 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 định như mạng có dây truyền thống do các nút mạng hay di chuyển, năng lượng cung cấp cho các nút mạng thường chủ yếu là pin... 1.1.2.3 Mạng Ad-hoc Mạng Ad-hoc [72] là mạng bao gồm các thiết bị di động (máy tính có hỗ trợ card mạng không dây) các thiết bị PDA hay các điện thoại thông minh tập trung lại 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 thông qua máy chủ quản trị mạng. Mạng Ad-hoc là mạng mà các nút trong mạng có thể 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 về nút 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 gia mạng lên các nút mạng không những phát hiện được khả năng kết nối của các thiết bị, mà còn phải phát hiện ra được loại thiết bị và các đặc tính tương ứng của 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,...). Mạng Ad-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 làm máy 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 mạng Ad-hoc là không cao do truyền thông trong không gian sử dụng sóng vô tuyến lên khó kiểm soát và dễ bị tấn công hơn so với mạng có dây rất nhiều. Việc thiết lập các mạng Ad-hoc có thể thực hiện nhanh chóng và dễ dàng lên chúng thường được 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 truyền thông tin giữa các nút trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm 8