phân bổ các trạm thu phát không dây dựa trên thuật toán gen

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thanh Tùng PHÂN BỔ CÁC TRẠM THU PHÁT KHÔNG DÂY KHÔNG THUẦN NHẤT DỰA TRÊN THUẬT TOÁN GEN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thanh Tùng PHÂN BỔ CÁC TRẠM THU PHÁT KHÔNG DÂY KHÔNG THUẦN NHẤT DỰA TRÊN THUẬT TOÁN GEN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Hằng HÀ NỘI - 2010 Lời cảm ơn Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Minh Hằng, người đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Mạng và truyền thông máy tính, trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho em thực hiện đề tài. Sinh viên Nguyễn Thanh Tùng Tóm tắt nội dung Trong khóa luận này chúng ta sẽ thử nghiệm thuật toán gen để giải quyết bài toán phân bổ các trạm phát không dây không thuần nhất. Các trạm phát có thể là trạm gốc của mạng 2G và 3G hay các điểm truy cập của mạng WLAN Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cách phân bổ trạm phát tuy nhiên chúng ta sẽ tập trung vào các tiêu chí quan trọng nhất là vùng phủ sóng rộng nhất và tổng chi phí thấp nhất. Phần lớn các phương pháp được đề xuất để giải quyết vấn đề phân bổ trạm phát đều yêu cầu gán trước tổng số trạm phát. Khác với các phương pháp đã tồn tại, thuật toán gen có thể tìm được số trạm phát tối ưu một cách tự động. Ngoài ra, thuật toán này có thể tìm được giải pháp tốt nhất cho vấn đề đặt các trạm phát không thuần nhất. Kết quả qua các thí nghiệm cho thấy rằng sử dụng thuật toán gen có thể tiến gần hơn đến giải pháp tối ưu cho bài toán. Mục lục Chương 1 : Giới thiệu 1 Chương 2 : Trình bày vấn đề 6 2.1. Mô hình triển khai 6 2.1.1. Bản đồ 6 2.1.2. Trạm thu 6 2.1.3. Trạm phát 7 2.2. Mô hình đặc tả sự truyền tín hiệu 7 2.3. Mục tiêu 8 2.3.1. Khả năng bao phủ 8 2.3.2. Chi phí 9 2.3.3. Các hàm mục tiêu 9 Chương 3 : Tổng quan về thuâ ̣ t toa ́ n gen 10 3.1. Giới thiệu thuật toán gen 10 3.2. Thuật toán di truyền trên máy tính 11 3.3. Cấu trúc thuật toán gen 13 3.3.1. Khởi tạo quần thể 15 3.3.3. Chọn lọc 15 3.3.5. Đột biến 17 3.3.6. Kiểm tra điều kiện dừng 18 Chương 4 : Áp dụng thuật toán gen vào bài toán 19 4.1. Đặc tả cá thể 22 4.2. Khởi tạo quần thể 22 4.3. Kiểm tra các cá thể. 23 4.4. Tính giá trị hàm thích nghi và thứ hạng các cá thể 23 4.4.1. Hàm thích nghi 24 4.4.2. Tính thứ hạng các cá thể 24 4.5. Sắp xếp lại quần thể 24 4.6. Chọn lọc 24 4.7. Lai ghép 25 4.7.1. Lai ghép đồng dạng giữa các gen 26 4.7.2. Lai ghép một điểm giữa các nhiễm sắc thể 28 4.8. Đột biến 28 4.9. Thế hệ tiếp theo 29 Chương 5 : Thực hiện chương trình mô phỏng và đánh giá kết quả 30 5.1. Đặc tả chương trình mô phỏng 30 5.2. Một số tính toán thử nghiệm 33 Chương 6 : Kết luận 37 6.1. Các vấn đề đã thực hiện được trong khóa luận 37 6.2. Đánh giá kết quả 37 6.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo 37 1 Chương 1 : Giới thiệu Với sự phát triển của mạng 2.5G, 3G và các thế hệ sau 3G, sự phân bổ cơ sở hạ tầng trở nên rất quan trọng cho việc trao đổi thông tin nhanh và đáng tin cậy. Công nghệ không dây hiện nay bao gồm GSM, WCDMA, WLAN, GPRS, WiMax đã rất ổn định. Tuy nhiên làm thế nào để phân bổ các trạm phát không dây hiệu quả vẫn là một vấn đề phức tạp. Có 2 cách tiếp cận chính để giải bài toán “phân bổ các trạm phát không dây”. Cách tiếp cận thứ nhất sẽ tìm tập con tốt nhất có thể từ tập hợp các trạm thu phát không dây dựa trên vị trí của chúng hay gọi là “chọn lọc các trạm phát”. Cách tiếp cận thứ hai gọi là “đặt các trạm phát không dây”. Phương pháp này sẽ tìm số trạm phát cần đặt và vị trí của mỗi trạm. Do số trạm phát được dùng không được biết trước khi triển khai, gây ra khó khăn khi tìm giải phát tối ưu. Đặt các trạm phát không dây đã dần trở thành một vấn đề NP-hard [2]. Trong khi không thể tìm được những giải pháp tối ưu trong thời gian đa thức, nhiều phương pháp đã được xây dựng dựa trên sự phát triển của công nghệ tính toán. Điển hình là phương pháp stEAPT[2] xem xét việc gán tần số và kênh nhiễu. Hurley[3], theo dõi việc di chuyển, trao đổi thông tin, sự chồng chéo giữa các trạm để từ đó đưa ra những cải tiến phù hợp. Zhang[4], đề nghị việc tối ưu hóa đa mục tiêu trong quan hệ giữa vùng phủ sóng và chi phí. Unbehaun[5] , chọn 1 tập con trong các điểm truy cập mạng WLAN bằng phương pháp cắt bớt và tìm lại chúng thông qua việc tìm kiếm các vùng lân cận và tối ưu dần giải pháp. Lee and Kang[6], xem xét các khoảng trống trong phương thức CDMA bằng cách sử dụng thuật toán tìm kiếm Tabu với 2 danh sách Tabu và so sanh kết quả với thuật toán gen. Có một vài phương pháp khác dựa trên thuật toán gen. Ví dụ giải pháp của Cerri và Russo về bài toán trạm điện với yêu cầu về chất lượng dịch vụ, khả năng hệ thống, phân phối trạm [7] [8]. Họ đã đưa ra mô hình mới bằng cách giả lập mạng. Raisanen và Whitaker [9] so sánh hiệu năng của SEAMO, SPEA2, NSGA-II và PESA. Park [10][11] đưa ra phương thức dựa trên thuật toán di truyền để tìm tổng số trạm phát và vị trí của chúng. Nagy và Farkas[12] dùng thuật toán di truyền để đặt các trạm trong các tòa nhà sử dụng mô hình trải phổ Motley-Keenan. Maple [13], sử dụng thuật toán di truyền song song với nghiên cứu các đặt trưng để làm giảm thời gian rỗi trong quá trình xử lí. Đã có một số phương pháp được đánh giá khá tốt như Amaldi [14] đặt các điểm truy cập của mạng 802.11 bằng phương pháp tìm kiếm tham ăn và phương thức tìm kiếm 2 với hyperbolic và các hàm căn phù hợp. Hao [15] phát triển giải pháp tối ưu nhiều lớp với ba tầng chính là đinh nghĩa số kích cỡ và kích cỡ trung bình của một phần tử, sau đó đặt và tìm kích cỡ của từng phần tử, cuối cùng là tối ưu các tham số của trạm phát. Dựa trên bài toán phi tuyến, Sherali [16] đã kết hợp với phương pháp Hooke và Jeeves đẻ tìm kiếm giải pháp tìm các đường bỏ phí nhằm tìm ra vị trí đặt trạm phát. Trong hầu hết các phương pháp trên, số trạm thu phát phải được gán trước. Tuy nhiên trong thực tế, số trạm ứng với mỗi mô hình khác nhau rất khó có thể tính toán trước. Điều này có nghĩa là người dùng sẽ không nhận được kết quả mong muốn nếu đưa vào số trạm ban đầu không hợp lý. Nói một cách khác, người sử dụng sẽ phải giải quyết vấn đề có bao nhiêu trạm cần đặt rồi sau đó gán cho bài toán đặt trạm. Một số phương pháp tính toán và sử dụng cận trên của vị trí đặt. Việc ước lượng cận trên được xác định một cách đại khái. Nếu muốn đặt nhiều trạm hơn sẽ phải tính toán lại cận trên. Do đó rất khó tối ưu bài toán. Với sự phát triển của nền công nghiệp phần cứng, các thiết bị đi động có thể hỗ trợ nhưng giao thức không dây khác nhau như : Bluetooth, 802.11…Nói cách khác, một thiết bị di động có thể được bao phủ bởi các trạm không đồng nhất. Các trạm này có thể khác nhau về các tham số cài đặt như là : bán kính nguồn phát hay chi phí Hơn nữa, khi hai trạm thu phát có cùng kiến trúc, khả năng thu phát vẫn có thể khác nhau. Việc đặt các trạm thu phát với những khác biệt về thành phần và hệ thống trở nên rất khó khăn. Trong luận văn này, chúng ta tập trung giải quyết vấn đề “Phân bố các trạm thu phát không dây không đồng nhất” này. Hình dung bài toán đặt trạm phát qua ví dụ cụ thể sau. Hình 1 minh họa vấn đề đặt các trạm phát không dây không thuần nhất Các kiểu trạm phát trong ví dụ này là khác nhau. Hình tròn lớn đại diện cho kiểu trạm phát thứ nhất với vùng phủ sóng lớn hơn như là các trạm gốc trong hệ thống 3G. Hình tròn nhỏ đại diện cho kiểu trạm phát khác với vùng phủ sóng nhỏ hơn như là các điểm truy cập của mạng IEEE 802.11 WLAN. Hình vuông đại diện vùng được bao phủ bởi hai kiểu trạm phát trên. Tổng số của từng kiểu không được biết trước. Phải đặt các hình tròn lớn và nhỏ với số lượng nào đó để phủ kín hình vuông đã cho. 3 Hình 1 : Đặt các kiểu trạm phát khác nhau tới hình vuông. Tiếp theo chúng ta sẽ hình dung sơ lược về cách giải bài toán đặt trạm phát không đồng nhất. Một hướng đi dễ hình dung nhất là chia bài toán thành hai bước chinh để xử lí. Theo dõi ví dụ trong hình 2, bước đầu tiên đặt hình tròn lớn vào trước. Tiếp theo đặt hình tròn nhỏ vào. Tuy nhiên dễ dàng nhận thấy kết quả của phương pháp này không được tối ưu. Giả thiết, chi phí cho kiểu trạm phát thứ nhất là 120 và chi phí cho kiểu trạm phát thứ hai là 10. Theo hình 3, chỉ sử dụng các trạm phát nhỏ là tốt hơn bời vì tổng chi phí khi đó chỉ là 100. Tóm lại, điều quan trọng nhất của bài toán đặt các trạm phát không dây không thuần nhất là tìm ra giải pháp tối ưu đồng thời cho 2 yếu tố : tổng số trạm phát và vị trí tương ứng. 4 Hình 2 : Chia nhỏ bài toán thành 2 bước. Hình 3 : (a) : Trạm phát với công suất nhỏ, chi phí = 10, (b) : Trạm phát với công suất lớn, chi phí = 120, (c) : Tổng số chi phí sử dụng ở bước 2 là 150, (d) : Tổng chi phí sau khi sử dụng thuật toán là 100 [...].. .Thu t toán được đề xuất trong khóa luận này nhằm giải quyết vấn để phân bổ các trạm thu phát không dây không thu n nhất gồm ba vấn đề cần lưu ý: 1 Không gán trước số trạm và cận trên của trạm như hầu hết các phương pháp trước Thu t toán chúng ta đưa ra có thể tự động tìm số trạm cần đặt 2 Do số trạm không biết trước, chúng ta sử dụng thu t toán gen có chiều dài biến thiên để giải quyết vấn đề đặt các. .. dài biến thiên để giải quyết vấn đề đặt các trạm phát không dây 3 Thu t toán đưa ra có thể giải quyết đồng thời cả vấn đề không thu n nhất giữa các trạm Nội dung chính của khóa luận được tổ chức như sau : Chương 2 định nghĩa vấn đề đặt trạm phát không dây Chương 3 mô tả tổng quan về thu t toán gen Chương 4 sẽ áp dụng thu t toán gen để giải bài toán đặt trạm phát Quá trình mô phỏng và kết quả được trình... lại đến khi thu được kết quả tối ưu Đôi khi khó có thể nhận ra kết quả tối ưu này, khi đó thu t toán sẽ chạy với số bước quy định trước 18 Chương 4 : Áp dụng thu t toán gen vào bài toán Thu t toán chúng ta đưa ra là thu t toán di truyền ( GA ) Thu t toán di truyền được sử dụng rộng rãi để tìm nghiệm tối ưu của các vấn đề khác nhau Thu t toán di truyền đưa ra được các kết quả gần tối ưu dựa trên nguyên... tổng số trạm phát cho từng kiểu Đặt trạm phát Kết thúc Hình 5 : Các phương pháp cũ giải quyết vấn đề đặt trạm phát không dây 19 Thu t toán GA có thể tự động tìm kiếm đồng thời tổng số và vị trí cho mỗi trạm phát Vậy nên có thể khắc phục những hạn chế của các phương pháp trước đây Quy trình được mô tả trong hình 6 Bắt đầu Đặt trạm phát mà không giới hạn trước số trạm phát Kết thúc Hình 6 : Thu t toán GA... nhiều kiểu trạm phát khác nhau nên chúng ta cần lưu ý hai đặc điểm của vấn đề đặt trạm phát không dây (I) Các trạm phát không dây có thể đồng nhất hoặc không đồng nhất Do cường độ phát và chi phí của các trạm phát có thể khác nhau, việc dự đoán có bao nhiêu kiểu của trạm phát sẽ được sử dụng là rất khó khăn Trong thực tế (II) số trạm phát không được định nghĩa trước Xét đặc điểm đầu tiên, các phương... 2.1.3 Trạm phát Trạm phát là các thiết bị có khả năng phát và truyền tín hiệu tới các trạm thu Trạm phát có thể là các node B trong mạng 3G, các trạm gốc trong mạng GSM hay các điểm truy cập trong mạng WLAN Các trạm phát có các chi tiết khác nhau như là phạm vi phát sóng và chi phí Giả sử có K kiểu trạm phát có thể dùng trong bài toán Tập hợp K kiểu trạm phát này được định nghĩa như sau : 𝐓𝐘𝐏𝐄 = {𝐭𝐲𝐩𝐞 𝐤... tiến hóa để thích nghi với hoàn cảnh sẽ tồn tại và phát triển Thu ̣t toán gen hay còn gọi là thu t toán di truyền là thu ̣t toán tìm ki ếm dựa trên chọn lọc tự nhiên và quá trình thích nghi Thu t toán này được áp dụng cho một loạt các vấn đề phức tạp để tìm ra một lời giải chính xác hoặc gần đúng Thu t toán di truyền là một lớp đặc biệt của thu t toán tiến hóa, được lấy cảm hứng từ tiến hóa sinh... của trạm thu Mỗi điểm lưới chứa một trạm thu Sau khi đặt trạm thu, chúng ta đặt các trạm phát trên bản đồ với tỉ lệ chia δt Có hai kiểu tập hợp lưới trên bản đồ M đó là : lưới bao phủ và lưới đặt trạm Vùng bao phủ là tập hợp các điểm cần được phủ sóng Vùng đặt trạm là nơi các trạm phát có thể được đặt tại đó Cả vùng bảo phủ và vùng đặt trạm được xác định trước bởi người thiết kế Lưu ý rằng vùng đặt trạm. .. năng thu của ăngten gắn với trạm thu và trạm phát 7 - Pj là cường độ nguồn phát tại trạm phát j - λ là bước sóng - dij là khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát 2.3 Mục tiêu Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới việc triển khai mạng không dây Tuy nhiên, trong khóa luận này chúng ta quan tâm tới hai yếu tố là khả năng bao phủ và chi phí Khả năng bao phủ chịu ảnh hưởng từ việc đặt trạm phát Tổng chi phí của trạm. .. trạm phát sẽ ảnh hưởng tới việc tìm ra tổng số trạm phát khi triển khai Trong phần sau chúng ta sẽ làm rõ hơn về khả năng bao phủ và chi phí đã đưa ra 2.3.1 Khả năng bao phủ Với mỗi trạm thu ri , nếu cường độ tín hiệu Sij từ trạm phát t j lớn hơn ngưỡng thresholdj thì trạm thu ri có thể được phục vụ bởi từ trạm phát t j Hơn nữa, trạm phát t j sẽ được thêm vào tập các trạm phát có thể phục vụ trạm thu . chúng ta sẽ thử nghiệm thu t toán gen để giải quyết bài toán phân bổ các trạm phát không dây không thu n nhất. Các trạm phát có thể là trạm gốc của mạng 2G và 3G hay các điểm truy cập của mạng. hợp các trạm thu phát không dây dựa trên vị trí của chúng hay gọi là “chọn lọc các trạm phát . Cách tiếp cận thứ hai gọi là “đặt các trạm phát không dây . Phương pháp này sẽ tìm số trạm phát. nhiên làm thế nào để phân bổ các trạm phát không dây hiệu quả vẫn là một vấn đề phức tạp. Có 2 cách tiếp cận chính để giải bài toán phân bổ các trạm phát không dây . Cách tiếp cận thứ nhất