Luận án Nghiên cứu một số giải pháp tối ưu hóa hiệu năng trong mạng điện toán biên di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN --oo0oo-- TRƯƠNG VĂN TRƯƠNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 94 .80.101 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA HIỆU NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN TOÁN BIÊN DI ĐỘNG ĐÀ NẴNG, NĂM 2024 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN --oo0oo-- TRƯƠNG VĂN TRƯƠNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 94 .80.101 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA HIỆU NĂNG TRONG MẠNG ĐIỆN TOÁN BIÊN DI ĐỘNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. HÀ ĐẮC BÌNH 2. GS.TS. ANAND NAYYAR ĐÀ NẴNG, NĂM 2024 iii LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan các kết quả trình bày trong Luận án là công trình nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của các cán bộ nghiên cứu, và có sự đồng ý, cho phép của các cộng sự. Các số liệu, kết quả được trình bày trong Luận án là hoàn toàn trung thực. Các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ và đúng quy định. Đà Nẵng, ngày 05 tháng 06 năm 2024 Nghiên cứu sinh Trương Văn Trương iv LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp vô cùng quý báu. Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới thầy hướng dẫn, PGS. TS. Hà Đắc Bình, đã không ngừng hỗ trợ và hướng dẫn trong toàn bộ quá trình tôi theo học nghiên cứu sinh. Thầy đã để lại ấn tượng vô cùng to lớn với tôi về thái độ chăm chỉ, tinh thần nghiên cứu nghiêm túc và chuyên môn kỹ thuật vững vàng. Thầy sẽ luôn có ảnh hưởng quan trọng và lâu dài đến sự nghiệp nghiên cứu trong tương lai của tôi. Cảm ơn GS.TS. Anand Nayyar và TS. Võ Nhân Văn, những người luôn cung cấp hướng dẫn và gợi ý hữu ích về công trình và hướng nghiên cứu của tôi. Cảm ơn trường Khoa học Máy tính vì đã cung cấp các kiến thức cần thiết và hỗ trợ tôi vô điều kiện trong mọi công tác học tập. Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể cán bộ trong Khoa Điện và Điện tử, trường Công nghệ, trường đại học Duy Tân, đã hỗ trợ những góp ý chuyên môn và các đề xuất có giá trị. Được làm việc với tất cả các thầy cô trong khoa là niềm vui to lớn của tôi. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến cha mẹ của tôi, những người đã sinh thành ra tôi và luôn ủng hộ vô điều kiện mọi quyết định của tôi. Tôi cũng muốn cảm ơn vợ của mình, là cô Nguyễn Thị Đoan Hương, hai con gái nhỏ, các anh chị của tôi và tất cả bạn bè đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt thời gian qua. Trương Văn Trương được tài trợ bởi Tập đoàn Vingroup – Công ty CP và hỗ trợ bởi Chương trình học bổng thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn, mã số VINIF.2021.TS.049. Đà Nẵng, ngày 05 tháng 06 năm 2024 Nghiên cứu sinh Trương Văn Trương v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................ iii LỜI CẢM ƠN ...................................................................................... iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................ x DANH MỤC BẢNG .......................................................................... xiii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU TOÁN HỌC ....................................... xiv PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ LUẬN ÁN .............................................................. 1 1. Tính cấp thiết ..................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................... 5 3. Nội dung nghiên cứu ......................................................................... 5 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................... 6 5. Phương pháp nghiên cứu: ................................................................. 6 6. Những đóng góp chính của Luận án ................................................. 7 7. Bố cục Luận án.................................................................................. 7 CHƯƠNG 1 ........................................................................................ 10 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TOÁN BIÊN DI ĐỘNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ TỐI ƯU ............................................................................................... 10 1.1 Điện toán biên di động .................................................................. 10 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .................. 19 1.3 Các vấn đề về tối ưu hóa mạng MEC ........................................... 23 1.4 Kết luận chương 1 ......................................................................... 31 CHƯƠNG 2 ........................................................................................ 32 GIẢI PHÁP TỐI ƯU MẠNG ĐIỆN TOÁN BIÊN DI ĐỘNG SỬ DỤNG CƠ CHẾ NOMA VÀ THUẬT TOÁN DI TRUYỀN ............ 32 2.1 Giới thiệu ....................................................................................... 32 2.2 Mô hình hệ thống RF EH NOMA MEC đường lên ..................... 33 2.3 Mô hình hệ thống RF EH NOMA MEC đường xuống ................ 52 2.4 Kết luận chương 2 ......................................................................... 62 CHƯƠNG 3 ........................................................................................ 63 GIẢI PHÁP TỐI ƯU MẠNG ĐIỆN TOÁN BIÊN DI ĐỘNG SỬ DỤNG CƠ CHẾ LỰA CHỌN ANTEN VÀ CÁC THUẬT TOÁN META-HEURISTIC ........................................................................... 63 3.1 Giới thiệu ....................................................................................... 63 3.2 Mô hình hệ thống RF EH NOMA MEC cho người dùng đa anten ............................................................................................................. 65 vi 3.3. Phân tích và tối ưu hiệu năng mạng RF EH NOMA MEC đường xuống cho người dùng đa anten .......................................................... 74 3.4 Kết quả số và thảo luận ................................................................. 87 3.5 Kết luận chương 3 ......................................................................... 92 CHƯƠNG 4 ........................................................................................ 94 GIẢI PHÁP TỐI ƯU MẠNG ĐIỆN TOÁN BIÊN DI ĐỘNG SỬ DỤNG CƠ CHẾ LỰA CHỌN ANTEN-NGƯỜI DÙNG VÀ THUẬT TOÁN TÌM KIẾM MỘT CHIỀU ....................................................... 94 4.1 Giới thiệu ....................................................................................... 94 4.2 Mô hình hệ thống NOMA MEC WSN đa anten đa người dùng .. 96 4.3 Phân tích và tối ưu hiệu năng mạng cảm biến không dây NOMA MEC cho đường lên .......................................................................... 107 4.4 Kết quả số và thảo luận ............................................................... 115 4.5 Kết luận chương 4 ....................................................................... 122 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 124 Kết luận ............................................................................................. 124 Hướng phát triển đề tài ..................................................................... 125 Các công bố liên quan đến Luận án của nghiên cứu sinh ................. 126 PHỤ LỤC .......................................................................................... 128 Phụ lục A: Chứng minh Mệnh đề 2.1 ............................................... 128 Phụ lục B: Chứng minh Mệnh đề 2.3 ............................................... 130 Phụ lục C: Chứng minh Mệnh đề 2.4 ............................................... 132 Phụ lục D: Chứng minh Mệnh đề 2.5 ............................................... 134 Phụ lục E: Chứng minh Mệnh đề 3.1 ................................................ 135 Phụ lục F: Chứng minh Mệnh đề 4.1 ................................................ 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................. 142 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 5G Fifth generation Mạng không dây thế hệ thứ 5 AP Access point Điểm truy cập APS Access point selection Kỹ thuật lựa chọn điểm truy cập AR Augmented Reality Thực tế ảo tăng cường AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu trắng cộng tính BF Brute Force Thuật toán vét cạn BS Base station Trạm gốc BSS Best sensor selection Kỹ thuật lựa chọn nút cảm biến tốt nhất CC Cloud computing Điện toán đám mây CDF Cumulative distribution function Hàm phân phối tích lũy CH Cluster head Nút chủ CSI Channel state information Thông tin trạng thái kênh truyền D2D Device to device Liên hệ trực tiếp thiết bị đến thiết bị EC Evolution Computation Thuật toán tiến hóa ETSI European Telecommunications Standard Institute Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu FCP False computation probability Xác suất tính toán thất bại FDMA Frequency-division multiple access Đa truy cập phân chia theo tần số FF Fitness function Hàm mục tiêu FV Fitness value Giá trị thích nghi GA Gentic Algorithm Thuật toán di truyền HAP Hybrid access point Điểm truy cập lai i.i.d. independent and identically distributed Phân bố đồng nhất, độc lập viii IIoT Industrial Internet of Things Mạng Internet vạn vật trong công nghiệp IoT Internet of Things Mạng Internet vạn vật ISI inter-symbol interference Nhiễu liên kí tự MCC Mobile Cloud computing Điện toán đám mây di dộng MD Mobile device Thiết bị di động MEC Mobile edge computing Điện toán biên di động MIMO Multi-input multi-output Đa đầu vào đa đầu ra MISO Multi-input single-output Đa đầu vào đơn đầu ra MSCP Maximal the successful computation probability problem Bài toán tối ưu hóa xác suất tính toán thành công MRC Maximal ratio combining Kỹ thuật kết hợp theo tỷ lệ tối đa MRT Maximal ratio transmission Kỹ thuật phát theo tỉ lệ tối đa NAPS Non-Access point selection Kỹ thuật không lựa chọn điểm truy cập tối ưu NOMA Non-orthogonal multiple access Đa truy cập phi trực giao OMA Orthogonal multiple access Đa truy cập trực giao PDF Probability density function Hàm mật độ xác suất PSO Particle Swarm Optimization Thuật toán bầy đàn RAN Radio access network Mạng truy cập vô tuyến RF EH Radio frequency energy harvesting Kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến RSS Random sensor selection Kỹ thuật lựa chọn nút cảm biến ngẫu nhiên RSU Roadside Unit Trạm thu phát di động đặt cố định bên đường RWS Roulette wheel selection Chọn lọc bánh xe Roulette V2X Vehicle-to-Everything Mạng giao tiếp giữa các phương tiện giao thông ix VM Virtual machine Máy ảo VR Virtual Reality Thực tế ảo SC Selection Combining Kỹ thuật lựa chọn anten thu SCd Superposition Coding Kỹ thuật mã hóa xếp chồng SCP Successful computation probability Xác suất tính toán thành công SDV Self-driving vehicle Xe tự hành SI Swarm Intelligent Trí tuệ bầy đàn SIC Successive interference cancellation Kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp SINR Signal to interference plus noise ratio Tỉ số tín hiệu trên can nhiễu SISO Single input single output Đơn đầu vào đơn đầu ra SN Sensor node Nút cảm biến SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu TAS Transmit antenna selection Kỹ thuật lựa chọn anten phát TDMA Time division multiple access Đa truy cập phân chia theo thời gian TS Truncated selection Lựa chọn cắt gọt WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 0.1: Mô hình các lớp chức năng trong điện toán đám mây ......................... 1 Hình 0.2: Nhược điểm của điện toán đám mây trong ứng dụng IoT ................... 2 Hình 1.1: Mô hình các lớp chức năng trong điện toán biên di động .................. 11 Hình 1.2: Các quyết định giảm tải của MD trong mô hình MEC ...................... 14 Hình 1.3: Ví dụ về việc triển khai ứng dụng VR với cơ chế MEC .................... 15 Hình 2.1: Mô hình hệ thống NOMA MEC có yếu tố thu năng lượng vô tuyến cho đường lên ................................................................................................... 34 Hình 2.2: Giao thức hoạt động của mạng NOMA MEC có yếu tố thu năng lượng vô tuyến cho đường lên .................................................................................... 34 Hình 2.3: 1 2,U US S  theo hệ số chuyển mạch thời gian với các giá trị SNR phát trung bình khác nhau ........................................................................................ 48 Hình 2.4: 1 2,U US S  theo SNR phát trung bình với các giá trị hệ số chuyển mạch thời gian khác nhau .......................................................................................... 48 Hình 2.5: S theo hệ số chuyển mạch thời gian với các giá trị SNR phát trung bình khác nhau cho mô hình đường lên ............................................................ 49 Hình 2.6: S theo các giá trị chiều dài chuỗi tác vụ của người dùng U1 với băng thông khác nhau ............................................................................................... 49 Hình 2.7: Thuật toán MSCP-GA hội tụ với các mức SNR phát trung bình khác nhau trong hệ thống RF EH NOMA MEC đường lên ....................................... 50 Hình 2.8: So sánh hiệu năng trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán tối ưu cho hệ thống RF EH NOMA MEC đường lên ................................ 51 xi Hình 2.9: Mô hình hệ thống NOMA MEC có yếu tố thu năng lượng vô tuyến cho đường xuống .............................................................................................. 52 Hình 2.10: Giản đồ thời gian cho mạng NOMA MEC có yếu tố thu năng lượng vô tuyến cho đường xuống ............................................................................... 53 Hình 2.11: S theo SNR phát trung bình với các giá trị hệ số chuyển mạch thời gian khác nhau cho mô hình đường xuống ....................................................... 58 Hình 2.12: S theo hệ số chuyển mạch thời gian với các SNR phát trung bình khác nhau cho mô hình đường xuống ............................................................... 59 Hình 2.13: S theo SNR phát trung bình với các hệ số phân bổ công suất ....... 60 Hình 2.14: S theo hệ số phân bổ công suất với các SNR phát trung bình ....... 60 Hình 2.15: Thuật toán MSCP-GA hội tụ với các mức SNR phát trung bình khác nhau trong hệ thống RF EH NOMA MEC đường xuống .................................. 61 Hình 2.16: So sánh hiệu năng trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán tối ưu cho hệ thống RF EH NOMA MEC đường xuống ........................... 61 Hình 3.1: Mô hình hệ thống RF EH NOMA MEC đường xuống cho người dùng đa anten. ........................................................................................................... 66 Hình 3.2: Giản đồ thời gian giao thức hoạt động hệ thống RF EH NOMA MEC cho người dùng đa anten .................................................................................. 67 Hình 3.3: Tác động của hệ số chuyển mạch thời gian lên hiệu năng hệ thống dưới các kịch bản hoạt động khác nhau ............................................................ 88 Hình 3.4: Tác động của hệ số phân bổ năng lượng đến hiệu năng hệ thống dưới các kịch bản hoạt động khác nhau .................................................................... 89 Hình 3.5: Tác động của SNR phát trung bình đến hiệu năng hệ thống dưới các kịch bản hoạt động khác nhau theo hai cơ chế APS và NAPS .......................... 90 xii Hình 3.6: Sự hội tụ của các thuật toán tối ưu .................................................... 91 Hình 3.7: Khảo sát hiệu năng hệ thống trong các trường hợp sử dụng thuật toán tối ưu và không sử dụng thuật toán tối ưu ......................................................... 91 Hình 4.1: Mô hình hệ thống NOMA MEC WSN cho AP đa anten phục vụ đa người dùng cho đường lên. ............................................................................... 97 Hình 4.2: Giản đồ thời gian giao thức hoạt động cho hệ thống NOMA MEC WSN .............................................................................................................. 101 Hình 4.3: So sánh  với các cơ chế hoạt động khác nhau. ............................ 116 Hình 4.4: So sánh thông lượng hệ thống khi hoạt động dưới cơ chế NOMA và OMA với băng thông 1 Hz. ............................................................................ 117 Hình 4.5: FCP theo hệ số phân bổ công suất. ................................................. 118 Hình 4.6:  theo độ dài chuỗi tác vụ với các tần số hoạt động CPU của SN khác nhau. ...................................................................................................... 119 Hình 4.7:  theo SNR phát với số lượng anten của AP và số lượng SN của các cụm cảm biến khác nhau: (a.) Cơ chế SC, (b.) Cơ chế MRC .......................... 119 Hình 4.8:  theo SNR truyền với các giá trị G khác nhau: (a.) Cơ chế BSS, (b.) Cơ chế S1, (c.) Cơ chế S2 ........................................................................ 121 Hình 4.9: So sánh hiệu năng hệ thống giữa các thuật toán tối ưu, a. Cơ chế SC, b. Cơ chế MRC .............................................................................................. 122 xiii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Các thông số mô phỏng cho mô hình mạng RF EH NOMA MEC đường lên ......................................................................................................... 47 Bảng 2.2: Các thông số mô phỏng cho mô hình mạng RF EH NOMA MEC đường xuống .................................................................................................... 57 Bảng 3.1: Các cơ chế hoạt động của mô hình hệ thống RF EH NOMA MEC cho người dùng đa anten ......................................................................................... 68 Bảng 3.2: Các thông số mô phỏng hệ thống RF EH NOMA MEC cho người dùng đa anten ................................................................................................... 87 Bảng 4.1: Các cơ chế hoạt động của mô hình hệ thống NOMA-MEC-WSN được đề xuất ..................................................................................................... 98 Bảng 4.2: Các thông số mô phỏng hệ thống NOMA MEC WSN đa anten đa người dùng ..................................................................................................... 115 xiv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU TOÁN HỌC Kí hiệu Ý nghĩa cν Số chu kì CPU cần thiết của thiết bị v để xử lý 1 bit dữ liệu đầu vào dXY Khoảng cách từ X đến Y fv Tần số hoạt động CPU của thiết bị v mXY Hệ số Nakagami-m của đường truyền từ X đến Y N Số vòng lặp để các thuật toán dựa trên thuật toán tìm kiếm hội tụ gXY Độ lợi kênh truyền của đường truyền từ X đến Y G Mức độ khác biệt về khả năng tính toán của SN và AP hXY Hệ số kênh truyền của đường truyền từ X đến Y xt  Thời gian trễ trong pha x của thiết bị v Α Hệ số chuyển mạch thời gian  Hệ số giảm tải của thiết bị v  Xác suất tính toán thành công c Hệ số lai tạo theo phân phối chuẩn XY Hệ số Rayleigh của đường truyền từ X đến Y  Hệ số phân bổ công suất  Hệ số suy hao đường truyền  Hệ số chuyển đổi năng lượng 0 SNR phát trung bình c Tỉ lệ lai tạo m Tỉ lệ đột biến X Bước nhảy (độ thay đổi) nhỏ nhất của biến X min X Giá trị chính xác mong muốn của biến X nˆA Nút chủ của cụm cảm biến A mˆB Nút chủ của cụm cảm biến B xv xE  Năng lượng