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


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:

93


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

1
2
3
4
5
6
7

3.2

Đơn vị

Số BTS

Q.Hải Châu
Q.Thanh Khê
Q.Sơn Trà

Q.Ngũ Hành Sơn
Q.Liên Chiểu
H.Hoà Vang
Q.Cẩm Lệ

276
197
201
236
189
261
290

Phân bố

Qui hoạch dùng chung

Loại 1

Loại 2

Loại 1

Loại 2

92
85
78
96
63

81
104

184
112
123
140
126
180
186

20
15
15
10
10
20
25

50
20
25
30
25
35
40

Số BSC
thiết lập
5

3
3
2
2
4
5

R
(km/trạm)
0,31
0,38
0,32
1,17
1,58
1,86
1,23

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

94


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
Ký hiệu

Ý nghĩa

T1 , T2 , ..., TN
S1 , S2 , ..., SM
C = (cij )N ×M +1
F = (f0 , f1 , ..., fM )
B = (b0 , b1 , ..., bM )
P = (p0 , p1 , ..., pM )

Tập N trạm BTS với các vị trí biết trước
Tập các vị trí có thể của trạm MSC
Ma trận chi phí kết nối giữa BTS Ti đến MSC Sj
Chi phí kết nối từ trạm MSC tại Sj đến trạm trung tâm LE S0
Chi phí duy trì trạm MSC tại Sj

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.
95


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

c20
..
.

c11
c21
..
.

cN 0 cN 1

. . . c1M
. . . c2M
..
..
.
.
. . . 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:
F = (f0 , f1 , ..., fM )
(3.11)
và
B = (b0 , b1 , ..., bM )

(3.12)

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:
P = (p0 , p1 , ..., pM )

96

(3.13)


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
x20
..
.

x11
x21
..
.

xN 0 xN 1

. . . x1M
. . . x2M
..
..
.
.
. . . 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
0 Ngược lại

(3.15)

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:
Y = (y0 , y1 , ..., yM )

(3.16)

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

yj =




 1 Nếu Sj được sử dụng tức là

N

xij > 0
i=1

(3.17)

N



 0 Nếu Sj không được sử dụng tức là

xij = 0
i=1

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

M

M

(cij ×xij )+

Z =
i=1 j =0

M

(fj ×yj )+

j =0

(bj ×yj )
j =0

(3.18)

⇔ Z = sumdiag(C ×X T )+F ×Y T +B ×Y T
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, X T là
ma trận, Y T là vectơ chuyển vị và sumdiag(A) là hàm tính tổng các thành phần
trong ma trận A.
97


Bài toán tối ưu truy cập tập trung trong mạng được phát biểu như sau:
Tìm ma trận X và vectơ Y sao cho tối thiểu chi phí kết nối Z [41].
Z = sumdiag(C ×X T )+F ×Y T +B ×Y T → min

(3.19)

Thỏa mãn ràng buộc:
X ×E = E

(3.20)

E T ×X ≤ P

(3.21)

Trong đó:
- Ràng buộc (3.20) thể hiện tổng các thành phần trên dòng i của ma trận X
phải bằng 1 (i = 1, 2, . . . , N ) với E là vectơ cột với các thành phần bằng 1.
- Ràng buộc (3.21) thể hiện rằng tổng các thành phần trong cột j của ma trận
X phải nhỏ hơn hoặc bằng pj tức là số lượng BTS tối đa có thể đáp ứng bởi
MSC Sj
3.2.2

Các nghiên cứu liên quan

Các tác giả trong [41] đã đưa ra mô hình kiến trúc truy cập tập trung trong
mạng di động thể hiện sự tương tác giữa các BTS đến MSC và giữa các MSC đến
LE. Đây là kiến trúc đặc trưng tiêu biểu trong các mạng di động tế báo. Trong
trường hợp đơn giản, kiến trúc mạng có thể biểu diễn theo mô hình truy cập tập
trung hình cây. Tức một trạm LE sẽ được sử dụng để điều khiển tập các MSC,
mỗi một MSC sẽ điều khiển truy cập một tập các BTS. Cuối cùng, mỗi BTS sẽ
cung cấp các kết nối đến một nhóm các trạm di động MS thông qua các kết nối
không dây. Đây là kiến trúc rất quan trọng, hiện đang thu hút được rất nhiều
nghiên cứu với các công bố trong [32, 36, 46].
Tuy nhiên, đây là một bài toán khó và phức tạp nên các nghiên cứu đều tập
trung theo hướng sử dụng các thuật toán heuristic để giải quyết. Các thuật toán
tiêu biểu có thể kể đến là:
- Thuật toán Exhaustive search sinh ra tất cả các ma trận kết nối có thể và
kiểm tra tìm ra ma trận kết nối với chi phí tối thiểu được đề xuất trong [21].
- Thuật toán Heuristic sử dụng tư tưởng greedy để tìm kết nối tối ưu sau mỗi
vòng lặp với việc sử dụng các MSC gần nhất còn đủ dung lượng để đáp ứng
các yêu cầu của BTS được đề xuất trong [5, 23, 38, 42].
- Thuật toán ngẫu nhiên để lựa chọn các trạm BTS trong mỗi vùng phủ sóng
của Raisane [56].

98


3.2.3
3.2.3.1

Tối ưu truy cập tập trung sử dụng thuật toán PSO
Mã hóa cá thể

Mỗi cá thể trong thuật toán PSO được mã hóa bằng ma trận x = (xij )N ×(M +1) ,
(i = 1..N , j = 0..M ). với qui ước xij = 1 có nghĩa là BTS Ti tương ứng đã được
kết nối với MSC Sj , và ngược lại. Để khởi tạo nhóm bầy, chúng tôi sẽ sinh ngẫu
nhiên vị trí các phần tử. Sau đó tiến hành hiệu chỉnh lại các cá thể sao cho mỗi
cá thể X thỏa mãn ràng buộc (3.20-3.21). Để đảm bảo mỗi cá thể có chính xác N
bit 1 ứng với N trạm điều khiển cần thiết lập chúng tôi đề xuất hàm PSO Repair
để hiệu chỉnh các cá thể.
Thuật toán 3.7 PSO-Repair
Input: Cá thể x = (xij )N ×(M +1) có p bit 1
Output: Cá thể x = (xij )N ×(M +1) có chính xác N bit 1
Begin
If p < N then Thêm (N −p) bit 1 bằng cách sinh ngẫu nhiên các vị trí;
else Chọn ngẫu nhiên (p−N ) bit 1 loại bỏ khỏi xâu nhị phân;
End

Sau khi chuẩn hóa, mỗi cá thể sẽ có tổng các phần tử trong dòng i của ma
trận bằng 1 (i = 1, 2, ..., N ) và tổng các phần tử trong cột j của ma trận k phải
nhỏ hơn hoặc bằng để Pj . Hàm mục tiêu được tính theo (3.19).

3.2.3.2

Mô tả thuật toán

Thuật toán PSO cho bài toán tối ưu truy cập tập trung được mô tả như sau:
Thuật toán 3.8 PSO tối ưu truy cập tập trung trong mạng không dây
Begin
For each nhóm bầy
Khởi tạo nhóm bầy;
Endfor
Do
For each nhóm bầy
PSO-Repair(nhóm bầy);
Tính giá trị thích nghi (fitness value) theo (3.19);
If (fitness value > pBest) Then pBest = fitness value;
If (pBest > gBest) Then gBest = pBest;
Endfor
For each nhóm bầy
Tính vận tốc v [] = v []+c1 ∗ rand ()∗ (pbest[]−present[])+ c2 ∗ rand ()∗ (lbest[]−present[]);
Cập nhật vị trí present[] = present[]+v [];
Endfor
While (Điều kiện dừng chưa thỏa mãn);
End

99