Thuật toán xấp xỉ giải bài toán bao phủ barrier trong mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐIINH THỊ HÀ LY Đinh Thị Hà Ly KHOA HỌC MÁY TÍNH THUẬT TỐN XẤP XỈ GIẢI BÀI TỐN BAO PHỦ BARRIER TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Khoa học máy tính KHÓA 2016B Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Đinh Thị Hà Ly THUẬT TOÁN XẤP XỈ GIẢI BÀI TỐN BAO PHỦ BARRIER TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Chuyên ngành : Khoa học máy tính LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Khoa học máy tính NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Huỳnh Thị Thanh Bình Hà Nội – Năm 2017 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN BAO PHỦ BARRIER TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11 Tổng quan tốn bao phủ mạng cảm biến khơng dây 11 Độ bao phủ cảm biến 12 Độ bao phủ mạng cảm biến 16 Bài toán bao phủ barrier mạng cảm biến không dây 19 Bài tốn tìm đường xâm nhập có khả bị phát nhỏ mạng cảm biến không dây 28 CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN XẤP XỈ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU 33 Bài toán tối ưu 33 Bài toán tối ưu tổ hợp 34 Bài toán tối ưu liên tục 34 Tổng quan phương pháp xấp xỉ giải toán tối ưu 36 Giải thuật di truyền 43 Mã hóa cá thể 43 Khởi tạo quần thể 44 Hàm thích nghi 45 Các toán tử di truyền 45 Chọn lọc 47 Điều kiện dừng giải thuật 47 Tính chất giải thuật di truyền 48 CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT GIẢI BÀI TỐN TÌM ĐƯỜNG XÂM NHẬP CÓ KHẢ NĂNG BỊ PHÁT HIỆN NHỎ NHẤT TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY MƠ HÌNH XÁC SUẤT 49 Mã hóa cá thể 49 Hàm thích nghi 52 Toán tử di truyền 52 Lai ghép 52 Đột biến 56 Chọn lọc 57 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 59 Dữ liệu thử nghiệm 59 Thiết lập hệ thống 59 Kết thực nghiệm 60 Kết luận 64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Đề tài: Giải thuật xấp xỉ giải toán bao phủ barrier mạng cảm biến không dây LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung luận văn công trình nghiên cứu tơi hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Huỳnh Thị Thanh Bình Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm Tác giả luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Đinh Thị Hà Ly Đề tài: Giải thuật xấp xỉ giải toán bao phủ barrier mạng cảm biến không dây DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Viết đầy đủ ACO Ant Colony Optimization PSO Particle Swarm Optimization Minimal Exposure Path MEP GA SA WSN Genetic Algorithm Simulated Annealing Wireless Sensor Network Ý nghĩa Tối ưu hóa đàn kiến Tối ưu hóa bày đàn Đường có khả bị phát nhỏ Giải thuật di truyền Giải thuật mô luyện kim Mạng cảm biến không dây Đề tài: Giải thuật xấp xỉ giải toán bao phủ barrier mạng cảm biến không dây DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tham số mơ hình cảm biến xác suất 59 Bảng Các tham số GAMEP 59 Bảng Bảng so sánh giá trị exposure tốt giá trị xác suất phát tương ứng (%) tìm GAMEP sau lần chạy liệu với giá trị len khác 61 Bảng Bảng so sánh giá trị exposure trung bình giá trị xác suất phát tương ứng (%) tìm GAMEP sau lần chạy liệu với giá trị len khác 62 Bảng Bảng so sánh giá trị độ lệch chuẩn thời gian chạy trung bình GAMEP sau lần chạy liệu với giá trị len khác 63 Đề tài: Giải thuật xấp xỉ giải toán bao phủ barrier mạng cảm biến khơng dây DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Mơ hình cảm biến nhị phân 13 Hình Mơ hình tỉ lệ 14 Hình Bao phủ đối tượng 17 Hình Bao phủ barrier 20 Hình Biều đồ Voronoi đường vi phạm tối đa [22] 23 Hình Biều đồ Delaunay đường có mức hỗ trợ tối đa [22] 24 Hình Minh họa tốn tối ưu liên tục: đồ thị hàm số f(x) = x3 – 3x2 + 36 Hình Cơ chế cập nhật cá thể PSO 40 Hình Sơ đồ thuật tốn tiến hóa 42 Hình 10 Lai ghép điểm cắt 46 Hình 11 Biểu diễn cá thể 49 Hình 12 Khởi tạo cá thể 50 Hình 13 Phép lai ALX-  54 Hình 14 Minh họa phép lai điểm cắt 55 Hình 15 Minh họa trình đột biến 57 Hình 16 Độ hội tụ GAMEP liệu S_40_1 63 Đề tài: Giải thuật xấp xỉ giải toán bao phủ barrier mạng cảm biến không dây MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, mạng cảm biến khơng dây đóng vai trị quan trọng thực tiễn sống hàng ngày nhân tố khơng thể thiếu cho hình thành giới vạn vật (Internet of Things) Với ứng dụng liên quan đến giám sát, an ninh mạng cảm biến không dây, bao phủ rào chắn (barrier) xem toán then chốt cần giải Bằng cách đưa lời giải cho toán này, nhà xây dựng mạng hay kẻ cơng có thơng tin hữu ích tình hình chất lượng mạng, từ phía xây dựng mạng đưa phương án phù hợp cải thiện hay trì mạng cảm biến có, cịn kẻ cơng có sở để định tiến hành xâm nhập tìm đường khác an tồn Xa nữa, kết nối vào mạng Internet, việc giải tốt tốn góp phần hình thành nên ứng dụng tịa nhà thơng minh (smart buildings), thành phố thông minh (smart cities), bảo vệ thông minh (intelligent protection), … Có nhiều mơ hình khác cho lớp tốn bao phủ barrier, mơ hình đại diện cho ứng dụng nhu cầu thực tế Luận văn tập trung nghiên cứu mô hình tìm đường xâm nhập có khả bị phát nhỏ mạng cảm biến không dây, từ phát biểu mơ hình ngữ cảnh xác suất mà cho phép xét đến ảnh hưởng nhiễu từ mơi trường đến q trình đưa kết cảm biến Mặc dù chưa chứng minh thuộc lớp tốn NP-khó, với khơng gian tìm kiếm lớn liên tục, việc tìm lời giải xác cho mơ hình địi hỏi nhiều thời gian kỹ thuật Do đó, tác giả lựa chọn cách tiếp cận giải xấp xỉ, gần Như vậy, luận văn tiến hành nghiên cứu tổng quan toán bao phủ barrier, cụ thể lớp tốn tìm đường xâm nhập có khả bị phát nhỏ nhất, sau phát biểu tốn mơ hình xác suất đề xuất giải thuật xấp xỉ, gần để giải Trên sở kết đạt được, luận văn tổng kết, đánh giá đưa hướng phát triển đề tài tương lai Mục đích nghiên cứu Luận văn nhằm nghiên cứu tổng quan toán bao phủ rào chắn (barrier coverage) mạng cảm biến không dây sâu vào mơ hình cụ thể Trên sở đó, luận văn đề xuất giải thuật di truyền để giải toán Cài đặt, thử nghiệm thuật toán đề xuất để đưa giá nhận xét, đánh giá Đề tài: Giải thuật xấp xỉ giải tốn bao phủ barrier mạng cảm biến khơng dây Đối tượng nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu khả phát đối tượng xâm nhập mạng cảm biến khơng dây, cịn gọi giá trị exposure Phạm vi nghiên cứu Mạng cảm biến không dây nghiên cứu luận văn mạng cảm biến mơ hình xác suất, nghĩa cảm biến mạng có khả cảm nhận (phát hiện) kiện (đối tượng) tn theo mơ hình xác suất Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp nghiên cứu tài liệu o Đọc đánh giá cơng trình khoa học ngồi nước cơng bố liên quan đến đề tài nghiên cứu luận văn o Áp dụng kiến thức toán học xác suất  Phương pháp thực nghiệm o Tiến hành thực nghiệm để đánh giá hiệu giải thuật đề xuất 10 ... CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN BAO PHỦ BARRIER TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11 Tổng quan toán bao phủ mạng cảm biến không dây 11 Độ bao phủ cảm biến 12 Độ bao phủ mạng cảm biến ... nhỏ Giải thuật di truyền Giải thuật mô luyện kim Mạng cảm biến không dây Đề tài: Giải thuật xấp xỉ giải toán bao phủ barrier mạng cảm biến không dây DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tham số mơ hình cảm biến. .. CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN BAO PHỦ BARRIER TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Chương trình bày vấn đề sau:  Tổng quan toán bao phủ mạng cảm biến khơng dây  Lớp tốn bao phủ barrier mạng cảm biến không dây 