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 - 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

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 lẫn
nhau.
Ứng dụng của mạng Ad-hoc để đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính
chất tạm thời: Ở tại địa điểm trong một khoảng thời gian nhất định, giống như
trong một lớp học, một cuộc hội thảo hay một cuộc họp,...việc thiết lập một mạng
mang tính chất tạm thời để truyền thông với nhau chỉ diễn ra trong một khoảng
thời gian ngắn. Nếu chúng ta thiết lập một mạng có cơ sở hạ tầng, dù là mạng
không 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 trợ
khi xảy ra các thiên tai, hỏa hoạn và dịch họa: khi xảy ra các thiên tai như hỏa
hoạn, 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 là
hoàn toàn khó tránh khỏi. Vì thế, việc thiết lập nhanh chóng một mạng cần thời
gian ngắn mà lại có độ tin cậy cao và không cần cơ sở hạ tầng để đáp ứng truyền
thông, 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 như
vậy [72]. Trong một số ứng dụng nào đó, nếu sử dụng dịch vụ mạng có cơ sở hạ
tầng có thể không hiệu quả cao bằng việc dùng mạng Ad-hoc. Ví dụ như với một
mạng có cơ sở hạ tầng, do được điều khiển bởi một điểm truy cập mạng lên các
nút mạng muốn truyền thông với nhau đều phải thông qua nó. Ngay cả khi hai
nút mạng ở gần nhau, chúng cũng không thể trực tiếp truyền thông với nhau mà
phải chuyển tiếp qua một điểm truy cập tập trung. Điều đó gây ra một sự lãng
phí thời gian và băng thông mạng. Trong khi đó, nếu sử dụng mạng Ad-hoc việc
truyền 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 phải
thông 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 một
khu vực dân cư rộng nào đó. Mạng này sử dụng các công nghệ dành cho mạng
diện rộng, có tốc độ truyền dẫn cao và khả năng kháng lỗi mạnh. WMAN là giải
pháp mạng không dây của mạng MAN. Do vậy, có thể gọi WMAN là mạng đô thị
không dây; hay có thể các vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa vẫn có thể sử dụng
được mạng WMAN.
Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập hợp các giao tiếp dựa
trên giao thức tầng MAC và lớp vật lý năm 2001. Chuẩn 802.16 cũng đề cập đến
công nghệ WiMax là công nghệ không dây băng thông rộng đang phát triển rất
9


nhanh với khả năng triển khai trên phạm vi rộng và sẽ mang lại khả năng kết nối
Internet 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 các
client 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 ràng
buộc về năng lượng, khả năng tính toán, bộ nhớ và hoạt động như những thiết bị
chuyển mạch thông minh. WMN có tất cả các ưu điểm của các mạng không dây
Ad-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 hệ
thống hiệu quả, thực tế, mềm dẻo và mạnh để hỗ trợ việc truy cập mạng cho các
client. Mesh backbone có thể cung cấp cho các client nhiều dịch vụ và tài nguyên
khác 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 số
lượng lớn các ứng dụng như là mạng gia đình, mạng cộng đồng hay tập đoàn, truy
nhập internet công cộng. . . tốc độ cao.
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng không dây trong những năm
gần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thích
hợp khi triển khai mạng. Mỗi công nghệ mạng không dây được thiết kế để hoạt
động ở một phạm vi nhất định và được phân loại theo khả năng phủ sóng của
từng công nghệ. Trong các ứng dụng mạng không dây phạm vi vừa và nhỏ, công
nghệ 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, công
nghệ WLAN truyền thống không thể đáp ứng được các ứng dụng cần mở rộng
10


mạng. Vì vậy, trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ không dây
chuẩn, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được giải pháp kết nối để tạo ra mạng có
phạm vi phủ sóng cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được các tính chất của mạng. Kỹ
thuật mạng hình lưới không dây WMN có thể được coi là một giải pháp tốt cho
vấn 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. Nhiều
thành phố ở Mỹ (Medford, Oregon; Chaska, Minnesota; và Gilbert, Arizona) đã

triển khai mạng lưới không dây. Một vài công ty như MeshDynamic gần đây đã
thông báo sự sẵn sàng của công nghệ mạng lưới đa hop (số lần chuyển đổi) đa
sóng. 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 lưu
lượng tải của mỗi nút định tuyến cũng ít thay đổi. Một trong những vấn đề chính
phải 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 mạng
WLAN được áp dụng để triển khai mạng không dây diện rộng thông qua một số
cải tiến về phần cứng và phần mềm trên các chuẩn 802.11a, 802.11b có dải tần
khác nhau. Kỹ thuật mạng lưới không dây WMN có thể được ứng dụng cho nhiều
kiểu hạ tầng mạng không dây khác nhau và một trong số đó là mạng không dây
cục bộ WLAN [34].
Trong kỹ thuật mạng hình lưới, chúng ta cần phân biệt được một số khái
niệm 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 qua
đường 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 năng
phục 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 vụ
các 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 truyền
thông qua hai anten thu phát công suất cao hướng trực tiếp với nhau (xem
Hình 1.2).
- Điểm–Đa điểm (Point-to-Multipoints): Kết nối được chia sẻ giữa nút đường
lên dùng anten đa hướng với các nút đường xuống (hoặc các nút lặp) với
anten thu công suất cao. Cấu hình mạng này dễ triển khai hơn cấu hình
Điểm – Điểm vì khi thêm một thuê bao mới chỉ cần lắp đặt thêm thiết bị tại

khu vực thuê bao chứ không phải lắp tại nút đường lên. Tuy vậy, các trạm
thu phải nằm trong phạm vi phủ sóng và có đường nhìn thẳng với trạm phát
11


sóng gốc. Các vật cản như cây cối, nhà cửa, đồi núi. . . sẽ góp phần làm cấu
hình 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 không
chỉ là điểm truy nhập cho các trạm mà còn làm nhiệm vụ chuyển tiếp dữ
liệu. Cấu hình này có độ tin cậy mạng cao nhất do các nút có sự liên thông
với 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 của
mạng 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

12


Ưu điểm của mô hình lưới đó là độ tin cậy cao vì các kết nối mạng không phụ
thuộc vào bất kỳ node nào. Nếu một node của mạng bị trục trặc, các node có thể
tương tác với một node khác thông qua node trung gian. Mô hình này cũng thích
hợp cho các mạng lớn như mạng WAN vì nó cho phép nhiều vị trí trên mạng lớn
kết 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 đang
được chuẩn hóa. Các công nghệ mạng không dây rất gần gũi với con người. Một
trong 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 hay
UMTS/WCDMA/CDMA2000 [27, 70].
Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications-GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Dịch vụ GSM
được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các mạng
thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điện
thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều
nơi trên thế giới. GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động trên thế
giới. Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ
biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều
vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc
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

13