Một số phương pháp Heuristic giải bài toán thiết kế mạng viễn thông

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN QUANG ANH MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP HEURISTIC GIẢI BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠNG VIỄN THÔNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2012 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu, tìm hiểu và tham khảo của riêng tôi. Các số liệu trong luận văn là trung thực. Tác giả Nguyễn Quang Anh ii LỜI CẢM ƠN Luận văn này đƣợc hoàn thành tại trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên. Dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS ĐẶNG QUANG Á. Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy về sự tận tình hƣớng dẫn trong suốt thời gian tác giả làm luận văn. Trong quá trình học tập tại trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên tác giả thƣờng xuyên nhận đƣợc sự quan tâm giúp đỡ, đóng góp ý kiến của các thầy cô trực tiếp giảng dạy và các cán bộ, giáo viên trong trƣờng. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những thầy cô đó. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám Hiệu, các bạn đồng nghiệp trƣờng Cao đẳng Công nghệ và Kinh tế Công nghiệp đã tạo điều kiện sắp xếp công việc, giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn anh chị em học viên lớp CAO HỌC K9A đã giúp đỡ, động viên, khích lệ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Luận văn sẽ không hoàn thành đƣợc nếu không có sự quan tâm, động viên của ngƣời thân trong gia đình tác giả. Đây là món quà tinh thần, tác giả xin gửi tặng gia đình thân yêu của mình với lòng biết ơn sâu sắc. Tác giả iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ vi MỞ ĐẦU i Chƣơng 1. GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP HEURISTIC 3 1.1. Thuật toán tham lam 3 1.1.1. Giới thiệu chung 3 1.1.2. Thuật toán cho phƣơng pháp tham lam 4 1.1.3. Ví dụ áp dụng 5 1.2. Giới thiệu về mạng nơ-ron 8 1.2.1. Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo 8 1.2.2. Phân loại mạng nơ-ron nhân tạo 11 1.2.3. Luật học 13 1.2.4. Những bài toán thích hợp 16 1.3. Giải thuật di truyền 18 1.3.1. Các khái niệm cơ bản 18 1.3.2. Các bƣớc quan trọng trong giải thuật 18 1.3.3. Ví dụ minh họa 19 1.3.4. Các Phƣơng thức biến đổi của giải thuật 21 1.3.5. Các nguyên tắc cơ bản của giải thuật 23 1.3.6. Giải bài toán tối ƣu bằng giải thuật di truyền 24 Chƣơng 2. TÌM HIỂU VỀ TÌNH HÌNH TRUYỀN THÔNG BẰNG THIẾT BỊ KHÔNG DÂY CỦA THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN 30 2.1. Giới thiệu chung về hệ thống viễn thông thành phố Thái Nguyên 30 2.1.1. Tổng quan về VNPT Thái Nguyên 30 iv 2.1.2. Mạng lƣới, Công nghệ 31 2.2. Các số liệu thống kê về tình hình sử dụng các thiết bị không dây 34 2.2.1. Các dịch vụ cung cấp cho khách hàng 34 2.2.2. Các phƣơng pháp quản trị chất lƣợng của VNPT Thái Nguyên 36 2.2.3. Các công cụ và kỹ thuật quản trị chất lƣợng của VNPT Thái Nguyên 37 2.3. Mục đích thiết kế Mạng Viễn thông không dây mới của thành phố 38 2.3.1. Đánh giá thực trạng 38 2.3.2. Mục tiêu xây dựng hệ thống mới 40 Chƣơng 3. SỬ DỤNG MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP HEURISTIC ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠNG VIỄN THÔNG 41 3.1. Phát biểu bài toán 41 3.1.1. Giới thiệu bài toán phân bố các thiết bị cuối 41 3.1.2. Phát biểu bài toán theo mô hình toán học 41 3.2. Ứng dụng một số phƣơng pháp Heurstic giải bài toán thiết kế Mạng Viễn thông 44 3.2.1. Sử dụng giải thuật tham lam 44 3.2.2. Sử dụng giải thuật di truyền 49 3.2.3. Sử dụng kết hợp mạng nơ-ron và giải thuật di truyền 54 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.62 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô hình nơ-ron sinh học 9 Hình 1.2. Mô hình một nơ-ron 10 Hình 1.3. Mạng tuyền thẳng một lớp 12 Hình 1.4. Mạng truyền thẳng nhiều lớp 12 Hình 1.5. Mạng một lớp có nối ngƣợc 13 Hình 1.6. Mạng nhiều lớp có nối ngƣợc 13 Hình 3.1. Phân bố các thiết bị cuối kết nối vào các trạm 44 Hình 3.2. Thử nghiệm Giải thuật Tham lam với bộ dữ liệu thứ nhất 46 Hình 3.3. Thử nghiệm Giải thuật Tham lam với bộ dữ liệu thứ hai 47 Hình 3.4. Thử nghiệm Giải thuật Tham lam với bộ dữ liệu thứ ba 49 Hình 3.5. Thử nghiệm Giải thuật di truyền với bộ dữ liệu thứ nhất 51 Hình 3.6. Thử nghiệm Giải thuật di truyền với bộ dữ liệu thứ hai 52 Hình 3.7. Thử nghiệm Giải thuật di truyền với bộ dữ liệu thứ ba 54 Hình 3.8. Sự kết hợp mạng nơ-ron và giải thuật di truyền với bộ dữ liệu thứ nhất 57 Hình 3.9. Sự kết hợp mạng nơ-ron và giải thuật di truyền với bộ dữ liệu thứ hai 58 Hình 3.10. Sự kết hợp mạng nơ-ron và giải thuật di truyền với bộ dữ liệu thứ ba 60 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ Chữ viết tắt Diễn giải Ý nghĩa VNPT Vietnam Post and Telecomunication Tập đoàn Bƣu chính Viễn thông Việt Nam VNPT Thái Nguyên Viễn thông Thái Nguyên Viễn thông Thái Nguyên CBCNV Cán bộ công nhân viên Cán bộ công nhân viên TT Trung tâm Trung tâm PGĐ Phó Giám đốc Phó Giám đốc DVKH Dịch vụ khách hàng Dịch vụ khách hàng KTTKTC Kế toán thống kê tài chính Kế toán thống kê tài chính TCCB Tổ chức cán bộ Tổ chức cán bộ KD Kinh doanh Kinh doanh HCQT Hành chính quản trị Hành chính quản trị CT công đoàn Chủ tịch công đoàn Chủ tịch công đoàn DNCCDV Doanh nghiệp cung cấp dịch vụ Doanh nghiệp cung cấp dịch vụ VT Viễn thông Viễn thông CNTT Công nghệ thông tin Công nghệ thông tin SXKD Sản xuất kinh doanh Sản xuất kinh doanh BC-VT Bƣu chính - Viễn thông Bƣu chính - Viễn thông OMC Operation Maintenane Center Trung tâm điều hành viễn thông BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc di động FTTH Fiber To The Home Dịch vụ Internet cáp quang MANE Metro Area Network Ethernet Mạng truyền tải IP nội thị SDH Synchronous Digital Hierrachy Mạng truyền dẫn quang IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet NGN Next Generation Network Mạng thế hệ mới LAN Local Area Network Mạng nội bộ WAN Wire Area Network Mạng diện rộng IPTV Internet Protocol Television Truyền hình qua giao thức IP 1 MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học của đề tài Hiện nay, việc trao đổi thông tin qua các thiết bị không dây ngày càng trở nên phổ biến. Để nâng cao chất lƣợng dịch vụ, các nhà mạng đang phải mở rộng hệ thống mạng viến thông bằng cách tăng thêm số cột thu, nhận tín hiệu từ các thiết bị không dây. Do đó các nhà mạng đều mong muốn có một mạng viễn thông hoạt động hiệu quả, có hiệu suất cao và tiết kiệm đƣợc các chi phí mua thiết bị. Sử dụng phƣơng pháp Heuristic là cách làm thiết thực để đƣa ra một thiết kế cho mạng viễn thông một cách tối ƣu. Nhận thấy tính thiết thực của bài toán này và đƣợc sự gợi ý của giảng viên hƣớng dẫn, tôi đã chọn đề tài “Mt s t k mng vi” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn - Thu thập tài liệu và nghiên cứu về một số phƣơng pháp Heuristic - Nghiên cứu để hiểu cách giải các bài toán tối ƣu bằng phƣơng pháp Heuristic - Tìm hiểu bài toán thiết kế mạng viễn thông và vận dụng phƣơng pháp heuristic để giải bài toán này. - Xây dựng chƣơng trình mô phỏng bài toán trên máy tính và thực hiện các thử nghiệm trên các bộ dữ liệu. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Phƣơng pháp Heuristic nhƣ phƣơng pháp tham, giải thuật di truyền và mạng nơ ron giải các bài toán tối ƣu tổ hợp - Bài toán thiết kế mạng viễn thông - Giải bài toán thiết kế mạng viễn thông bằng các phƣơng pháp Heurristic Phƣơng pháp nghiên cứu Tìm hiểu một số phƣơng pháp Heuristic giải bài toán thiết kế mạng Viễn thông thông qua việc thu thập, tổng hợp các sách, các bài báo, các tài liệu trên mạng bằng tiếng Việt, tiếng Anh. 2 Cấu trúc và nội dung chính của luận văn Cấu trúc và nội dung chính của luận văn gồm: - Phần mở đầu. - Chƣơng 1. Giới thiệu một số phƣơng pháp Heuristic. Chương này trình bày tổng quan về Thuật toán tham; Mạng nơ ron nhân tạo và Giải thuật di truyền. - Chƣơng 2. Tìm hiểu về tình hình truyền thông bằng thiết bị không dây của thành phố Thái Nguyên. Chương này Giới thiệu chung về hệ thống Viễn thông thành phố Thái Nguyên; Tham khảo các số liệu thống kê về tình hình sử dụng các thiết bị không dây. Tìm hiểu mục đích thiết kế mạng viễn thông không dây mới của thành phố. - Chƣơng 3. Sử dụng một số phƣơng pháp Heuristic để giải bài toán thiết kế mạng Viễn thông. Nêu phát biểu bài toán và ứng dụng một số phương pháp Heuristic giải bài toán thiết kế mạng Viễn thông. Đề xuất các thử nghiệm và kết quả. - Phần kết luận và đề nghị. - Tài liệu tham khảo. 3 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP HEURISTIC 1.1. Thuật toán tham lam 1.1.1. Gii thiu chung * Định nghĩa Giải thuật tham lam là một thuật toán giải quyết một bài toán dựa trên tri thức về vấn đề để tìm kiếm một tối ƣu địa phƣơng ở mỗi bƣớc đi với hy vọng tìm đƣợc tối ƣu toàn cục. Giải thuật tham lam có 5 thành phần: a) Một tập hợp các ứng viên để từ đó tạo ra lời giải; b) Một hàm lựa chọn để lựa chọn ứng viên tốt nhất để bổ sung vào lời giải; c) Một hàm khả thi dùng để quyết định một ứng viên có thể là một lời giải; d) Một hàm mục tiêu để ấn định giá trị lời giải hoặc một lời giải chƣa hoàn chỉnh; e) Một hàm đánh giá để chỉ ra khi nào ta tìm ra một lời giải hoàn chỉnh. * Hai thành phần quyết định nhất tới quyết định tham lam Tính chất lựa chọn tham lam: Chúng ta có thể lựa chọn giải pháp nào đƣợc cho là tốt nhất ở thời điểm hiện tại và sau đó giải bài toán con nảy sinh từ việc thực hiện lựa chọn vừa rồi. Lựa chọn của thuật toán tham lam có thể phụ thuộc vào các lựa chọn trƣớc đó. Thuật toán tiến triển theo kiểu thực hiện các chọn lựa theo một vòng lặp, cùng lúc đó thu nhỏ bài toán đã cho về một bài toán con nhỏ hơn. Giải thuật tham lam lựa chọn sớm và thay đổi đƣờng đi thuật toán theo lựa chọn đó, và không bao giờ xét lại các lựa chọn cũ. Đối với một số bài toán, đây có thể là một thuật toán không chính xác. Cấu trúc con tối ưu: Một bài toán đƣợc gọi là "có cấu trúc tối ƣu", nếu một lời giải tối ƣu của bài toán con chứa lời giải tối ƣu của bài toán lớn hơn. * Ý tƣởng của phƣơng pháp tham lam Phƣơng pháp tham lam là kỹ thuật thiết kế thƣờng đƣợc dùng để giải các bài toán tối ƣu. Phƣơng pháp đƣợc tiến hành theo nhiều bƣớc. Tại mỗi bƣớc, theo một lựa chọn nào đó (xác định bằng một hàm chọn), sẽ tìm một lời giải tối ƣu cho bài toán nhỏ tƣơng ứng. Lời giải của bài toán đƣợc bổ sung dần từng bƣớc từ lời giải [...]... thực hiện một chức năng tính toán cục bộ Với việc giả lập các hệ thống sinh học, các cấu trúc tính toán, mạng nơ-ron có thể giải quyết đƣợc các lớp bài toán nhất định nhƣ: Bài toán xếp loại, bài toán lập lịch, bài toán tìm kiếm, bài toán nhận dạng mẫu… Các bài toán phức tạp cao, không xác định Tuy nhiên, sự liên kết giữa một bài toán bất kỳ trong thực tế với một giải pháp mạng nơ-ron lại là một việc... phƣơng pháp giải quyết bài toán tối ƣu hàm số, nhƣng nhìn chung các phƣơng pháp chỉ dừng lại ở những lớp bài toán với thông tin rõ ràng hoặc với các thông tin bổ trợ khác Do đó, việc tìm một phƣơng pháp mới giải bài toán tối ƣu hàm nhiều biến tổng quát là cần thiết và có ý nghĩa thực tế Nhƣ đã trình bày ở các chƣơng trƣớc, ta nhận thấy hoàn toàn có thể áp dụng Thuật giải di truyền để giải bài toán tối... biến hóa các giải pháp Các phƣơng thức biến hóa gồm: Lai ghép (cross over), đột biến (mutation) Bƣớc 5: Tính các hệ số thích nghi cho các giải pháp mới và loại bỏ những giải pháp kém nhất để chỉ còn giữ lại một số nhất định các giải pháp Bƣớc 6: Nếu chƣa tìm đƣợc giải pháp tối ƣu hay tƣơng đối khá nhất hay chƣa hết hạn ấn định, trở lại bƣớc thứ tƣ để tìm giải pháp mới Bƣớc 7: Tìm đƣợc giải pháp tối ƣu... toàn bộ các giải pháp có thể có cho vấn đề Bƣớc 2: Chỉ định cho mỗi giải pháp một kí hiệu Ký hiệu có thể là dãy của những số 1 và 0 thuộc hệ nhị phân, hay dãy số thập phân, của chữ hay hỗn hợp của số và chữ Ở đây ta dùng hệ nhị phân để làm ký hiệu cho giải pháp Bƣớc 3: Tìm hàm số thích nghi cho vấn đề và tính hệ số thích nghi cho từng giải pháp Bƣớc 4: Dựa trên hệ số thích nghi của các giải pháp để thực... và ký hiệu các đáp số cho bài toán Sau đây 4 số có thể là đáp số cho bài toán Thứ tự Nhị phân Thập phân 1 00100 4 2 10101 21 3 01010 10 4 11000 24 Bước 3: Ấn định hàm số thích nghi (fitness function) và tính hệ số thích nghi (fitness) cho từng đáp số chúng ta có thể chọn bất cứ hệ thức hay hàm số nào để biểu diễn sự thích nghi của các đáp số của bài toán Kinh nghiệm cho thấy hàm số thích nghi phải... Quy định số lƣợng các đáp số và ấn định ký hiệu cho từng đáp số Giả sử chúng ta không biết đáp số của bài toán Nên sẽ chọn 4 số trong những đáp số có thể có cho bài toán Đồng thời chúng ta chọn mô hình để tƣợng trƣng cho các số phải xét (dùng hệ thống nhị phân để ký hiệu các đáp số) 20 H/t thập phân H/t nhị phân 1 2 3 4 5 6 7 8 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 Bước 2: Chỉ định số đáp số và ký... phức tạp đồng thời từ đó giải quyết dễ dàng một số bài toán thuộc lớp bài toán NP đầy đủ (NP - Complete) Các luật học đóng vai trò quan trọng trong việc xác định một mạng nơ-ron nhân tạo Một cách đơn giản về khái niệm học của mạng nơ-ron là cập nhật trọng số trên cơ sở các mẫu Theo nghĩa rộng thì luật học có thể đƣợc chia làm hai loại: Học tham số và học cấu trúc Học tham số: Các thủ tục học này nhằm... nghi cho từng giải pháp - Chọn một số giải pháp tiêu biểu, rồi áp dụng những phƣơng thức biến hóa để tìm ra giải pháp có trị số thích nghi tốt hơn Nếu chƣa đạt đƣợc mục tiêu đề ra thì tiếp tục việc biến hóa trên các giải pháp vừa có, cho đến khi đạt đƣợc mục tiêu hay cho đến khi nào thời gian cho phép chấm dứt - Nhƣ vậy GA duyệt xét toàn bộ các giải pháp của vấn đề, thay vì chỉ để ý đến giải đáp chính... đến giải pháp, đặc biệt là số tƣợng trƣng cho giải pháp - GA rất thích hợp cho việc tìm kiếm giải pháp cho vấn đề , hay tìm điều kiện tối ƣu cho việc điều hành, và phân nhóm những giải pháp có đƣợc 1.3.2 C c b ớc quan trọng trong giải thuật Để giải quyết vấn đề bằng Thuật giải di truyền, chúng ta cần thực hiện bảy bƣớc quan trọng sau đây 19 Bƣớc 1: Chọn mô hình cho giải pháp của vấn đề: Chọn 1 số tƣợng... dễ dàng Xét một cách tổng quát, mạng nơ-ron là một cấu trúc xử lý song song thông tin phân tán mang các đặc tính nổi bật sau: – Là mô hình toán học dựa trên bản chất của nơ-ron Bao gồm một số lƣọng rất lớn các nơ-ron liên kết với nhau – Mạng nơ-ron có khả năng học, khái quát hoá tập dữ liệu học thông qua việc gán và hiệu chỉnh các trọng số liên kết – Tổ chức theo kiểu tập hợp mang lại cho mạng nơ-ron . 3. Sử dụng một số phƣơng pháp Heuristic để giải bài toán thiết kế mạng Viễn thông. Nêu phát biểu bài toán và ứng dụng một số phương pháp Heuristic giải bài toán thiết kế mạng Viễn thông. Đề. nhƣ phƣơng pháp tham, giải thuật di truyền và mạng nơ ron giải các bài toán tối ƣu tổ hợp - Bài toán thiết kế mạng viễn thông - Giải bài toán thiết kế mạng viễn thông bằng các phƣơng pháp Heurristic. cứu về một số phƣơng pháp Heuristic - Nghiên cứu để hiểu cách giải các bài toán tối ƣu bằng phƣơng pháp Heuristic - Tìm hiểu bài toán thiết kế mạng viễn thông và vận dụng phƣơng pháp heuristic