ứng dụng giải thuật di truyền mờ cho bài toán quản lý hàng đợi tích cực (aqm) trong viễn thông

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN MỜ CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG LÊ HOÀNG Thái Nguyên, 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN MỜ CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270 Học viên: Lê Hoàng Ngƣời HD khoa học: PGS. TS. Lê Bá Dũng Thái Nguyên, 2010 Trang i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Lê Hoàng Lớp: Cao học - K11 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Bá Dũng Ngày giao đề tài: 20 tháng 01 năm 2010. Ngày hoàn thành: 5 tháng 9 năm 2010. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Lê Bá Dũng HỌC VIÊN Lê Hoàng BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Trang ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trước đó. Thái Nguyên, ngày 23 tháng 8 năm 2010 Tác giả luận văn Lê Hoàng Trang iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo và tôi đặc biệt muốn cảm ơn: Thầy giáo PGS. TS. Lê Bá Dũng, Viện công nghệ thông tin, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam. lbdung@ioit.ac.vn. Thầy giáo ThS. Nguyễn Phương Huy, Bộ môn Điện tử viễn thông, Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. nguyenphuonghuy1979@gmail.com. đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua. Vì đề tài liên quan tới nhiều lĩnh vực mới với kiến thức rất rộng, bản thân tôi phải tham khảo rất nhiều tài liệu và các bài báo quốc tế. Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót (nhất là trong quá trình biên tập và dịch tài liệu thành tiếng Việt). Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Lê Hoàng Trang iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Ngành Điện tử viễn thông luôn phải đáp ứng một nhiệm vụ quan trọng là cung cấp các dịch vụ truyền thông tin xa một cách mềm dẻo, nhanh chóng và chính xác nhất. Để đáp ứng nhiệm vụ trên, vấn đề quản lý hàng đợi tích cực luôn được đặt lên hàng đầu. Tuy nhiên việc quản lý hàng đợi tích cực luôn là vấn đề phức tạp. Trên mạng viễn thông, kỹ thuật định tuyến cũng hỗ trợ cho quá trình định tuyến mạng, điều khiển công suất đầu cuối di dộng, quản lý tài nguyên mạng, quản lý chất lượng mạng, điều khiển lưu lượng mạng, tạo điều kiện xây dựng một mạng viễn thông thông minh. Việc kết hợp Giải thuật di truyền và Logic mờ tạo ra các thiết bị có độ thích nghi cao và thông minh như con người đáp ứng các bài toán phức tạp trong điều kiện thiếu thông tin. Xuất phát từ các vấn đề trên, tác giả chọn đề tài: “Ứng dụng giải thuật di truyền mờ cho bài toán quản lý hàng đợi tích cực (AQM) trong viễn thông”. Nội dung chính của luận văn này tập trung vào nghiên cứu việc xây dựng nên phương pháp để giải quyết các bài toán điều khiển lưu lượng thông minh trên mạng viễn thông hiện tại. Nhằm giải quyết được vấn đề tránh tắc nghẽn và tối ưu hoá thời gian truyền nhận các gói dữ liệu thông qua các router trên mạng. Nội dung chính của luận văn là ứng dụng giải thuật di truyền mờ vào bài toán AQM trên mạng hiện nay, cấu trúc luận văn bao gồm các chương sau: Chƣơng 1: Các kiến thức tổng quan. Chƣơng 2: Bài toán quản lý hàng đợi tích cực trong viễn thông. Chƣơng 3: Ứng dụng giải thuật di truyền mờ cho bài toán quản lý hàng đợi tích cực trong viễn thông. Cuối cùng là kết luận và hướng phát triển của đề tài. Trang v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang Thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Lời nói đầu iv Mục lục v Danh mục các bảng biểu viii Danh mục các hình vẽ ix Các thuật ngữ viết tắt xi CHƢƠNG 1: CÁC KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1 1.1.1 Điều khiển tắc nghẽn trên mạng internet 1 1.1.2 Chất lượng dịch vụ trên internet 2 1.1.3 Cấu trúc luận văn 3 1.2 Tổng quan về AQM và TCP 4 1.2.1 TCP và quản lý hàng đợi tích cực (AQM) 4 1.2.2 Các dịch vụ tích hợp và phân biệt 11 1.3 Giải thuật di truyền 12 1.3.1 Giới thiệu 12 1.3.2 Giải thuật di truyền và tìm kiếm tối ưu 13 1.3.3 Cấu trúc một giải thuật di truyền 14 1.3.3.1 Cấu trúc một giải thuật di truyền đơn giản 14 1.3.3.2 Các phép toán của giải thuật di truyền 14 1.3.3.2.1 Sinh sản (Reproduction) 14 1.3.3.2.2 Lai ghép (Crossover) 16 1.3.3.2.3 Đột biến (Mutation) 17 1.3.4 Ứng dụng của giải thuật di truyền 18 1.4 Giải thuật di truyền mờ 18 1.4.1 Giới thiệu 18 1.4.2 Giải thuật di truyền kết hợp với logic mờ 19 1.4.2.1 Phân loại kỹ thuật kết hợp 20 Trang vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.4.2.2 Một số ví dụ về kỹ thuật kết hợp di truyền mờ 20 1.4.2.2.1 Hệ thống ghép cặp di truyền mờ 20 1.4.2.2.2 Thiết kế hệ thống di truyền mờ bằng giải thuật di truyền 21 1.4.2.2.3 Điều khiển mờ tự động của hệ thống giải thuật di truyền 22 1.4.2.3 Tóm tắt một số ứng dụng thực tế của hệ kết hợp di truyền mờ 23 1.4.3 Tổng kết và kết luận 23 CHƢƠNG 2: BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG 2.1 Giới thiệu 25 2.2 Kỹ thuật chống mất gói trong các mạng TCP/IP tắc nghẽn 26 2.2.1 Giới thiệu 26 2.2.2 Quản lý hàng đợi tích cực (AQM) 26 2.2.2.1 Lưu lượng tải và phát hiện sớm 27 2.2.2.2 Tránh thông báo tắc nghẽn xác định 30 2.2.2.3 RED thích nghi (ARED) 31 2.2.2.4 Độ nhạy RTT 34 2.2.2.5 Sự đánh giá 36 2.2.2.6 Sử dụng gói mất để thông báo tắc nghẽn 38 2.2.3 Điều khiển tắc nghẽn máy chủ cuối 41 2.2.3.1 Điều chỉnh tốc độ truyền tối thiểu 41 2.2.3.2 Điều chỉnh tăng tuyến tính 44 2.2.4 Điều chỉnh hiệu suất tối ưu 48 2.2.5 Kết luận và công việc tương lai 50 2.3 BLUE phương pháp mới cho AQM 51 2.3.1 Giới thiệu 51 2.3.2 Sự hạn chế của RED 52 2.3.3 Blue 54 2.3.3.1 Thuật toán Blue 55 2.3.3.3 Tìm hiểu về Blue 56 2.3.3.4 Hiệu quả của ECN timeouts 59 2.3.3.5 Sự đánh giá 61 2.3.4 Blue cân bằng ngẫu nhiên (SFB) 63 2.3.4.1 Thuật toán SFB 63 2.3.4.2 Sự đánh giá 66 2.3.4.3 Sự hạn chế của SFB 68 2.3.4.4 SFB với hàm hash động 71 Trang vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.3.4.5 Độ nhạy RTT 74 2.4 Kết luận và công việc tương lai 74 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN MỜ CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG 3.1 Mở đầu 76 3.2 AQM sử dụng giải thuật di truyền 77 3.2.1 Sơ đồ tổng quát giả sử có một cấu hình mạng như hình 3.1 77 3.2.2 Thiết kế thuật toán di truyền mờ 78 3.2.2.1 Bộ điều khiển mờ 78 3.2.2.2 Giải thuật di truyền mờ cho tìm kiếm tối ưu các dạng hàm thuộc 80 3.2.3.1 Mã hoá 81 3.2.2.4 Lai tạo 84 3.2.2.5 Đột biến 84 3.2.2.6 Hàm thích nghi 84 3.2.3 Mô hình hệ thống 85 3.3 Quá trình thực nghiệm 85 3.3.1 Xác định đối tượng 85 3.3.2 Kết quả thực nghiệm thể hiện qua mô phỏng 87 3.3.3 Đánh giá tỷ lệ mất gói dùng RED, BLUE, và Fuzz-GA-AQM 91 KẾT LUẬN 95 PHẦN PHỤ LỤC 97 Tài liệu tham khảo 98 Trang viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Kết quả tính toán cho các nhiễm sắc thể 15 Bảng 1.2 Quần thể mới 16 Bảng 1.3 So sánh đặc điểm giữa logic mờ và giải thuật di truyền 19 Bảng 1.4 Phân loại việc kết hợp giữa các hệ thống di truyền mờ 20 Bảng 1.5 Các ứng dụng kỹ thuật FL-GA cho hệ thống điều khiển 21 Bảng 1.6 Ví dụ về hệ thống FL-GA ứng dụng giải bài toán phân tích dữ liệu 21 Bảng 1.7 Những ứng dụng của hệ thống kết hợp di truyền mờ 23 Bảng 2.1 Tỷ lệ mất gói của SFB theo Mbs (1 luồng không đáp ứng) 66 Bảng 2.2 Tỷ lệ mất của SFB (một luồng không đáp ứng, một luồng dao động) 73 Bảng 3.1 Cơ sở luật – các luật ngôn ngữ 80 [...]... thực hiện thuật toán di truyền có độ thích nghi cao nhất sẽ được chọn làm cá thể trong quần thể kế tiếp 1.3.4 Ứng dụng của giải thuật di truyền Thuật toán di truyền đã chứng tỏ tính hữu ích của nó khi được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống Trong lĩnh vực điều khiển tự động, thuật toán di truyền có thể được sử dụng để xác định thông số tối ưu cho các bộ điều khiển Thông số... trình thực hiện giải thuật di truyền Đóng góp khác của logic mờ đối với hệ thống kết hợp di truyền mờ là ứng dụng nó cho việc xác định trị số của hàm lượng giá trong giải thuật di truyền Các mục tiếp theo sẽ trình bày tổng quan về phương pháp kết hợp giữa giải thuật di truyền và logic mờ Phân loại kỹ thuật kết hợp, một số ví dụ về kỹ thuật kết hợp di truyền - mờ, tóm tắt các một số ứng dụng thực tế của... thống mờ Dùng giải thuật di truyền cho thiết kế bộ điều khiển mờ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tế Một vài ví dụ được đưa ra trong bảng 1.5 Bảng 1.5 Các ứng dụng kỹ thuật FL-GA cho hệ thống điều khiển Điều khiển các xử lý thích nghi với logic mờ và giải thuật di truyền – Karr Thiết kế bộ điều khiển logic mờ cho vận hành tàu không gian – Lai Xây dựng mô hình suy di n mờ nhờ cơ chế học ứng. .. ứng dụng giải bài toán phân tích dữ liệu Giải thuật di truyền tối ưu kỹ thuật phân lớp mờ theo một tiêu chí xác định - Bezdek và Hathaway Giải thuật di truyền hỗ trợ bộ điều khiển mờ giải một số bài toán thử nghiệm Barczak, Martin và Krambeck Xử lý dữ liệu địa vật lý – Chen, Berkey và Johnson Phân lớp mờ trong bộ cảm biến điều khiển từ xa – Chen, Cooley và Zhang Kết hợp các tập luật điều khiển mờ ứng. .. giá trị tham số tương ứng Ví dụ, xây dựng mô hình suy di n mờ nhờ cơ chế học, ứng dụng giải thuật di truyền [45] 1.4.2.2.3 Điều khiển mờ tự động của hệ thống giải thuật di truyền Lee và Takagi, 1993, đề nghị phương pháp dùng logic mờ để điều khiển các tham số thiết lập giải thuật di truyền Một hệ thống cơ sở tri thức mờ được sử dụng cho việc điều khiển các tham số của giải thuật di truyền (hình 1.8) Đồng... logic mờ và giải thuật di truyền) Phần nhiều các hoạt động nghiên cứu và ứng dụng cho hệ thống kết hợp di truyền mờ đều tập trung vào việc sử dụng giải thuật di truyền để tăng cường hiệu suất của hệ thống mờ Tuy nhiên, một vài nghiên cứu đã chỉ ra những phương pháp hiệu quả cho phép cải tiến các hệ thống di truyền nhờ bộ điều khiển mờ bằng cách sử dụng tập luật mờ được kết hợp với một vài kỹ thuật trong. .. và logic mờ nhằm giải quyết một số bài toán phức tạp Đánh giá được ưu điểm nổi trội của giải thuật di truyền mờ nhằm tối ưu hoá luật mờ và vét cạn các lời giải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trang 4 Chƣơng 2: Tìm hiểu về bài toán quản lý hàng đợi tích cực (AQM) trong mạng viễn thông hiện nay Những phương pháp và thuật toán đã và đang được sử dụng, đánh... hoạ trong các ứng dụng vủa bộ điều khiển logic mờ [25] Lúc này, giải thuật di truyền sẽ cải tiến việc thiết kế bộ luật mờ giúp tăng hiệu suất thực hiện của hệ thống Thủ tục tổng quát cho việc dùng giải thuật di truyền để tinh chỉnh hệ thống mờ được thể hiện trên hình vẽ 1.7 Giải thuật di truyền Chọn lọc/sửa đổi Quần thể Lượng giá Hệ thống mờ Độ đo thích nghi Kết quả Hình 1.7 Sử dụng giải thuật di truyền. .. thuật di truyền kết hợp với logic mờ Việc kết hợp giữa giải thuật di truyền và logic mờ là một lĩnh vực mới và ít được khai thác thác hơn so với việc kết hợp giữa giải thuật di truyền hoặc logic mờ với mạng nơron Charles Karr là người tiên phong đưa ra kỹ thuật kết hợp giữa giải thuật di truyền và logic mờ, thử nghiệm đầu tiên thực hiện vào năm 1989: dùng giải thuật di truyền để cải tiến bộ điều khiển mờ. .. di n mờ nhờ cơ chế học ứng dụng giải thuật di truyền – Park, Kandel và Lanholz Kết hợp mô đun di truyền mờ vào trong những ứng dụng kỹ thuật phức tạp đạt mục tiêu: Cải tiến bộ điều khiển mờ giúp tăng hiệu suất của hệ thống, đồng thời chứng minh tính khả thi của hệ thống kết hợp trong một lớp các bài toán ứng dụng Vùng ứng dụng điển hình của hệ thống này là những bài toán kỹ thuật gắn liền với các nhiệm . tương lai 74 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN MỜ CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG 3.1 Mở đầu 76 3.2 AQM sử dụng giải thuật di truyền 77 3.2.1 Sơ đồ tổng. HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN MỜ CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG Ngành: Kỹ thuật điện. HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN MỜ CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG