Thiết kế topo cho mạng lưới không gian tự do

Thiết kế topo cho mạng lưới không gian tự do Thiết kế topo cho mạng lưới không gian tự do Thiết kế topo cho mạng lưới không gian tự do luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

──────── * ───────

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Thiết kế topo cho mạng lưới

không gian tự do

Học viên thực hiện : Nguyễn Mạnh Tiến

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trương Thị Diệu Linh

HÀ NỘI 3-2019

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1 Thông tin về học viên

Họ và tên học viên: Nguyễn Mạnh Tiến

Điện thoại liên lạc: 0915054001 Email: tienbk79@gmail.com

Luận văn thạc sĩ được thực hiện tại: Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông, Đại học Bách khoa Hà Nội

Thời gian làm luận văn: Từ ngày 23/11/2017 đến 27/03/2019

2 Mục đích nội dung của luận văn

- Xây dựng phương án, giải pháp dự phòng khi có tình huống gián đoạn đường truyền

- Thiết kế Topo mạng đáp ứng giải pháp dự phòng nêu trên, với các yêu cầu về băng thông, độ phủ và tỷ lệ lỗi nằm trong giới hạn cho phép

3 Các nhiệm vụ cụ thể của luận văn

- Tìm hiểu lý thuyết cơ bản của truyền thông quang không dây FSO

- Tìm hiểu các phương pháp giải quyết bài toán đặt ra

- Đề xuất giải pháp cho bài toán thiết kế topo đáp ứng khả năng dự phòng cho mạng quang không dây

- Cài đặt và đánh giá hiệu quả của giải thuật đề xuất

4 Lời cam đoan của học viên:

Tôi – Nguyễn Mạnh Tiến – cam kết luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trương Thị Diệu Linh

Các kết quả nêu trong luận văn thạc sĩ là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm

Tác giả luận văn

Nguyễn Mạnh Tiến

5 Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn và cho phép bảo vệ:

Hà Nội, ngày tháng năm

Giáo viên hướng dẫn

Trương Thị Diệu Linh

3

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trương Thị Diệu Linh, người đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô trong Viện Công nghệ thông tin và truyền thông nói riêng cũng như các thầy, cô trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung, những người đã dạy dỗ và truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu

Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè, những người luôn ủng hộ, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Hà Nội, tháng 3 năm 2019

Học viên : Nguyễn Mạnh Tiến

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2

LỜI CẢM ƠN 3

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 9

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT 13

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 13

1.2 ĐỊNH HƯỚNG GIẢI QUYẾT 15

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 HỆ THỐNG QUANG KHÔNG DÂY 17

2.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG FSO 18

2.3 HỆ THỐNG HẠ TẦNG MẠNG TRÊN CAO HAP 19

2.4 PHÂN CỤM FSO SỬ DỤNG THUẬT TOÁN K-MEAN 21

2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ PHÒNG ĐƯỜNG ĐI 23

2.5.1 Dự phòng topo theo vòng 24

2.5.2 Dự phòng tuyến tính: 25

2.5.3 Dự phòng theo tài nguyên: 25

2.6 TÌM ĐƯỜNG ĐI CÓ DỰ PHÒNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN SUURBALLE 26

2.7 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG 27

2.7.1 Tổng quan 27

2.7.2 Các điều kiện ràng buộc 27

2.7.3 Tỷ lệ lỗi bit – BER 28

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT THIẾT LẬP TOPO MẠNG 30

3.1 MỤC TIÊU 30

3.2 CÁC VẤN ĐỀ CẦN XỬ LÝ 30

3.3 PHÂN CỤM CÁC THIẾT BỊ FSO 33

3.4 ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT TÌM ĐƯỜNG ĐI CÓ DỰ PHÒNG CHO MỖI CẶP NGUỒN – ĐÍCH 35

3.5 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN BỔ SUNG CÁC HAP 37

5

3.6 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐI DỰ PHÒNG CHO

CÁC CẶP NGUỒN ĐÍCH CHỈ CÓ MỘT ĐƯỜNG ĐI CHÍNH 38

CHƯƠNG IV: CÀI ĐẶT THUẬT TOÁN VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 39

4.1 MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶT 39

4.2 ĐẦU VÀO DỮ LIỆU: 39

4.3 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 40

4.3.1 Kết quả phân cụm các node 40

4.3.2 Kết quả phân cụm các node có phân vùng 41

4.3.3 Thử nghiệm với các cụm FSO, trong đó có các đường liên kết giữa các cụm khác nhau 42

4.3.4 Kết quả sử dụng giải thuật đề xuất, bổ sung đường đi đầu tiên 43

4.3.5 Kết quả sử dụng giải thuật đề xuất, bổ sung đường đi thứ hai 43

4.3.6 Kết quả áp dụng cho nhiều cặp nguồn đích, sử dụng bộ dữ liệu không có liên kết mặt đất 45

4.3.7 Kết quả sử dụng bộ dữ liệu bổ sung các liên kết mặt đất giữa các FSO nguồn tại các cụm lân cận: 47

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 49

5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 49

5.2 CÁC ĐIỂM HẠN CHẾ 49

5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50

5.4 KẾT LUẬN CHUNG 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài: Thiết kế topo cho mạng lưới không gian tự do

Tác giả luận văn: Nguyễn Mạnh Tiến

Khóa: CH2016B

Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Thị Diệu Linh

Từ khóa: FSO, HAP, Suurballe, Dijkstra

Mục đích nội dung của luận văn

- Xây dựng phương án, giải pháp dự phòng khi có tình huống gián đoạn đường truyền

- Thiết kế Topo mạng đáp ứng giải pháp dự phòng nêu trên, với các yêu cầu về băng thông, độ phủ và tỷ lệ lỗi nằm trong giới hạn cho phép

Các nhiệm vụ cụ thể của luận văn

- Tìm hiểu lý thuyết cơ bản của truyền thông quang không dây FSO

- Tìm hiểu các phương pháp giải quyết bài toán đặt ra

- Đề xuất giải pháp cho bài toán thiết kế topo đáp ứng khả năng dự phòng cho mạng quang không dây

- Cài đặt và đánh giá hiệu quả của giải thuật đề xuất

Nội dung tóm tắt:

Truyền thông quang không dây (FSO) là công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua môi trường vô tuyến (không gian tự do) Trong những năm gần đây, truyền thông quang không dây đang được xem như một giải pháp hứa hẹn thay thế cho các kết nối

vô tuyến băng rộng nhờ các ưu điểm mà nó có được bao gồm: tốc độ cao, chi phí hiệu quả, không yêu cầu cấp phép tần số, triển khai nhanh và linh hoạt

Với những ưu điểm trên, hệ thống mạng truyền thông quang không dây đang được triển khai bởi rất nhiều các công ty truyền thông lớn trên thế giới: SpaceX, Facebook, Google,…Ở Việt Nam, vị trí địa lý gần biển, thường xảy ra thiên tai lũ lụt, cũng như địa hình tổng thể có nhiều khu vực đồi núi, hiểm trở, cho nên việc nghiên cứu, phát triển áp dụng công nghệ truyền thông quang không dây trong tương lai có thể là một hướng đi phù hợp

Truyền thông quang không dây dựa trên quy tắc tầm nhìn thẳng: Light Of Sight (LOS) , tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, hệ thống mạng truyền thông quang

7

không dây cũng gặp phải những thách thức cần phải vượt qua đó là giới hạn khoảng cách truyền, chịu ảnh hưởng mạnh của yếu tố tác động của môi trường truyền lan không gian như mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… và đặc biệt là sự nhiễu loạn không khí

Trong việc triển khai mạng quang không dây, để khắc phục các khó khăn trong việc triển khai các thiết bị FSO trên mặt đất như đồi núi hiểm trở, thiên tai lũ lụt, … thì việc sử dụng các thiết bị HAP trở nên rất quan trọng HAP (High Altitude Platform) là một vật thể bay gần như cố định, cung cấp một số dịch vụ cho một khu vực rộng lớn, nằm ở độ cao hàng chục km trên không trong một khoảng thời gian dài Một HAP thường hoạt động thiết kế hoạt động ở độ cao 17-22km và có thể hoạt động trong khoảng 3-4 giờ, thậm chí là một ngày

Tuy nhiên với việc ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiễu loạn không khí, mây, mưa, sương mù, … thì việc một đường truyền dữ liệu đang hoạt động ổn định bị gián đoạn là có thể xảy ra, do đó đặt ra vấn đề là cần có các đường truyền dữ liệu dự phòng Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế các topo mạng, các vị trí đặt HAP để có thể đảm bảo tính dự phòng của mạng quang không dây

Trong luận văn, tác giả trình bày những lý thuyết cơ bản của truyền thông quang không dây FSO, hạ tầng mạng trên cao, các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống Ngoài ra, tác giả cũng trình bày thuật toán phân cụm, tìm đường, các giải thuật được áp dụng để xây dựng topo mạng có tính dự phòng cao

Để giải quyết bài toán luận văn đưa ra, tác giả đề xuất giải pháp gồm các vấn

đề chính sau:

- Thực hiện phân cụm các thiết bị FSO trên mặt đất, trong đó mỗi cụm

sẽ có 1 HAP thực hiện việc truyền dữ liệu tới các thiết bị trong cụm

- Thực hiện giải thuật Suurballe có chỉnh sửa, bổ sung điều kiện để tìm đường đi có dự phòng

- Thực hiện bổ sung các thiết bị HAP theo phương pháp hình học Euclid,

để xác định tọa độ lắp đặt các thiết bị trên đường đi

- Sử dụng giải thuật Dijkstra có chỉnh sửa để xác định đường đi tối ưu cần thiết lập, bổ sung

- Bổ sung các liên kết trên mặt đất giữa các thiết bị nguồn (đích) trên các cụm lân cận (với điều kiện ràng buộc là khoảng cách cho phép và có thể lắp đặt), mục đích để tái sử dụng lại đường đi từ các thiết bị trong cụm lân cận, giảm bớt số lượng HAP cần bổ sung

Phần cuối cùng tác giả đưa ra các mô hình thử nghiệm, các giá trị đầu vào để

có thể đánh giá, nhận xét tính khả thi, mức độ tối ưu và các hướng phát triển tiếp theo Dựa vào kết quả thử nghiệm các bộ dữ liệu, với hiệu quả rõ rệt, tác giả đề xuất bổ sung thêm các liên kết chéo giữa các thiết bị FSO tại các cụm lân cận trên mặt đất, để

tận dùng đường đi đã có sẵn, giảm thiểu chi phí vận hành và số lượng thiết bị cần lắp đặt

- Tìm hiểu về các cơ chế dự phòng trong việc truyền thông quang không dây, nghiên cứu các thuật toán và đề xuất chỉnh sửa, bổ sung như Dijkstra, Suurballe, K-Mean, …

- Đề xuất thuật toán cho bài toán thiết kế topo đáp ứng khả năng dự phòng cho mạng quang không dây

- Đề xuất giải pháp bổ sung các HAP trên không gian, đáp ứng yêu cầu dự phòng và tối thiểu các HAP cần sử dụng

- Đề xuất giải pháp sử dụng các liên kết mặt đất trong điều kiện cho phép, để tăng hiệu quả thuật toán trong việc bổ sung các HAP

- Cài đặt và đánh giá hiệu quả của giải thuật đề xuất

Trong phạm vi luận văn, tác giả đã trình bày giải thuật xây dựng topo mạng

có dự phòng, với đặc tính áp dụng các thuật toán tìm đường có chỉnh sửa: Dijkstra, Suurballe, thuật toán phân cụm KMean, … cũng như đề xuất phương pháp hình học Euclid để xác định tọa độ các thiết bị HAP, phương pháp bổ sung liên kết giữa các thiết bị FSO trên mặt đất

Với việc áp dụng giải thuật trong luận văn, với bài toán sử dụng nhiều cặp nguồn đích, thì việc bổ sung HAP cho các đường đi của các cặp nguồn đích sau, có thể tái sử dụng được các HAP đã xây dựng trước đó, nên có thể tối thiểu chi phí lắp đặt và triển khai các HAP

9

DANH MỤC HÌNH ẢNH

3 Hình 3: Mô hình hệ thống truyền thông quang không dây FSO 16

12 Hình 12: Tìm đường có dự phòng theo thuật toán Suurballe 25

14 Hình 14: Thuật toán phân cụm có điều chỉnh các điều kiện 32

17 Hình 17: Kết quả phân cụm với 4 Cluster của 300 thiết bị FSO 38

18 Hình 18: Kết quả phân cụm với 4 Cluster trên hai vùng độc lập 39

19 Hình 19: Mô hình giả lập phân cụm bổ sung các liên kết giữa các cụm kề nhau 40

20 Hình 20: Sử dụng thuật toán xây dựng đường đi, xác định được đường đi chính 41

22 Hình 22: Danh sách các HAP khi thực hiện hai lần cho hai cặp nguồn – đích 43

25 Hình 25: Đồ thị đánh giá số lượng HAP cần bổ sung theo số lượng cặp FSO

26 Hình 26: Đường đi của hai cặp nguồn – đích trong trường hợp sử dụng liên kết

27 Hình 27: Đồ thị đánh giá số lượng HAP cần bổ sung theo số lượng cặp FSO

nguồn – đích trong trường hợp bổ sung các liên kết mặt đất 47

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

FSO Free Space Optics Mạng quang không dây

𝐵𝐸𝑅𝑒2𝑒 Bit Error Rate end-to-end BER từ điểm đầu đến điểm cuối FEC Forward Error Correction Kỹ thuật sửa lỗi hướng đi ILP Interger Linear Programing Chương trình quy hoạch tuyến tính API Application Program Interface Giao diện chương trình ứng dụng

DANH MỤC BẢNG

1 Bảng 1: Số HAP cần bổ sung theo số cặp nguồn đích

với bộ dữ liệu không sử dụng liên kết mặt đất

46

2 Bảng 2: Số HAP cần bổ sung theo số cặp nguồn đích

với bộ dữ liệu bổ sung liên kết mặt đất

47

bị quang không dây đều nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển Ưu điểm nổi trội của truyền quang không dây đối với truyền cáp quang là các thiết bị quang không dây kết nối qua môi trường không khí

Trong những năm gần đây, truyền thông quang không dây đang được xem như một giải pháp hứa hẹn thay thế cho các kết nối vô tuyến băng rộng nhờ các ưu điểm

mà nó có được bao gồm: tốc độ cao, chi phí hiệu quả, không yêu cầu cấp phép tần số, triển khai nhanh và linh hoạt

Truyền thông quang không dây kết hợp hạ tầng mạng trên cao là việc kết hợp giữa các thiết bị truyền thông quang không dây FSO đặt trên các thiết bị bay trên không, kết nối với các thiết bị truyền thông quang dưới mặt đất tạo ra một mô hình truyền thông quang Mô hình này hiện nay được triển khai bởi nhiều công ty lớn trên thế giới: SpaceX, Google, Facebook,

Hạ tầng mạng trên cao (HAP-High Altitude Platform) là tập hợp những vật thể bay trên không, thường nằm ở độ cao 20km, gắn các thiết bị truyền thông không dây Các thiết bị này liên kết với nhau tạo ra các hệ thông mạng, bao phủ một khu vực rộng lớn Các HAP có thể hoạt động trong một khoảng thời gian trung bình khoảng

5 giờ Các vật thể bay này có thể là các máy bay, khinh khí cầu, …

Luận văn có các nhiệm vụ tổng quan như sau:

- Xây dựng phương án, giải pháp dự phòng và tái cấu hình khi có tình huống gián đoạn đường truyền

- Thiết kế Topo mạng đáp ứng giải pháp dự phòng nêu trên, với các yêu cầu về băng thông, độ phủ và tỷ lệ lỗi nằm trong giới hạn cho phép

Bố cục luận văn

Luận văn được chia ra làm 5 chương cụ thể như sau:

CHƯƠNG 1: Giới thiệu chung về đề tài và hướng giải quyết

Đặt vấn đề và nêu ra hướng giải quyết của luận văn

CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày những khái niệm cơ bản về truyền thông quang không dây, mô hình cơ bản của hệ thống quang không dây Mô hình hệ thống HAP Các thuật toán

phân cụm, tìm đường, tối ưu hóa, …

CHƯƠNG 3: Xây dựng giải thuật thiết lập topo mạng

Xây dựng bài toán đề tài, hướng giải quyết Xây dựng mô hình hệ thống,

chương trình Triển khai các thuật toán trên để xây dựng hệ thống mạng

CHƯƠNG 4: Cài đặt thuật toán và kết quả thực hiện

Các kết quả thu được sau khi viết chương trình triển khai các thuật toán

trên Nhận xét và phân tích các kết quả đạt được

CHƯƠNG 5: Kết luận

Sau khi hoàn thành luận văn, tác giả đưa ra một vài kết luận về công việc

đã làm, đưa ra định hướng phát triển vấn đề

Truyền quang không dây truyển đổi dữ liệu từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang

và thực hiện quá trình truyền dữ liệu, sử dụng sóng ánh sáng để truyền dữ liệu, truyền trong môi trường không khí Do truyền dữ liệu qua không khí, việc lắp đặt hệ thống FSO được thực hiện dễ dàng, nhanh chóng, quá trình truyền dữ liệu không bị ảnh hưởng bởi sự cố đứt cáp Với những ưu điểm trên, hệ thống mạng quang không dây

dễ dàng phục hồi tình trạng mạng cho những khu vực sau thảm họa thiên tai, cũng như việc triển khai hệ thống mạng cho các khu vực xa xôi hẻo lánh, địa hình hiểm trở, …

Hình 1: Mô hình mạng quang không dây

Để xây dựng một hệ thống truyền thông không dây trên một khu vực rộng lớn, hiểm trở cần có sự kết hợp của nhiều thiết bị HAP lắp đặt trên không gian, ở các độ

cao lớn (20 km) với các thiết bị FSO mặt đất (Ground node) như hình 1 Tuy nhiên

do giá thành các thiết bị bay khá lớn, và độ phủ của các thiết bị FSO trên HAP cũng chỉ có thể phủ một diện tích nhất định (độ mở thiết bị phát là 25o, tại độ cao h=20 km thì bán kính phủ là 30 km (theo tài liệu ITU [2]), do đó cũng không thể lắp đặt quá ít

Do đó phát sinh yêu cầu xây dựng topo mạng truyền thông không dây với các điểm đặt các HAP bổ sung

Trong quá trình hoạt động của hệ thống truyền thông không dây FSO, do các điều kiện môi trường như mây, nhiễu loạn không khí, … thì đường truyền dữ liệu bị gián đoạn, nên cần thiết kế topo mạng có tính dự phòng cao

Bài toán được đặt ra như sau: Giả sử có một số điểm trên mặt đất cần truyền

dữ liệu cho nhau, các điểm này được trang bị các thiết bị quang không dây FSO Các điểm cho trước này ở cách xa nhau và không thể truyền dữ liệu trực tiếp hay qua các điểm trung gian trên mặt đất, do đó để truyền dữ liệu giữa các điểm nguồn-đích ta cần sử dụng các thiết bị HAP trên không trung làm điểm chuyển tiếp dữ liệu Các thiết bị HAP này sẽ giao tiếp với nhau và giao tiếp với các thiết bị FSO trên mặt đất – Ground node Giữa các cặp nguồn-đích luôn có hai đường truyền dữ liệu: đường chính và đường dự phòng để đảm bảo kết nối dữ liệu luôn liên tục và ổn định

Bài toán được cho trước các thông tin sau:

- Cho trước số Ground node tối đa và vị trí các điểm đặt thiết bị FSO dưới mặt đất

- Cho trước độ cao các HAP được hoạt động

- Cho trước băng thông tối đa của HAP cung cấp cho các thiết bị FSO dưới mặt đất

- Cho trước ma trận thông lượng M (trong điều kiện bài toán, tác giả thiết lập thông lượng giữa các liên kết là bằng nhau và nhỏ hơn băng thông tối đa truyền giữa các thiết bị)

- Cho trước các cặp nguồn-đích cần truyền dữ liệu

Yêu cầu đặt ra

- Truyền dữ liệu giữa các cặp ground node ở xa, thông qua các HAP

- Đảm bảo băng thông giữa từng HAP với cụm FSO trên mặt đất luôn nằm trong giới hạn băng thông của HAP

- Đảm bảo đạt các yêu cầu của ma trận thông lượng

- Tỷ lệ lỗi BERe2e<𝛿

Ràng buộc:

- Có một số hữu hạn các ground nodes có kết nối đường truyền trên mặt đất với nhau

- Tổng số thiết bị HAP sử dụng nhỏ hơn số lượng tối đa MHAP cho phép

- Do chi phí lắp đặt và vận hành các HAP lớn hơn nhiều với thiết bị FSO, nên giải thuật bài toán đưa ra sẽ chú trọng vào tiêu chí giảm thiểu số lượng HAP cần lắp đặt, không thực hiện ràng buộc số FSO

Nhiệm vụ luận văn

- Xây dựng phương án, giải pháp dự phòng khi có tình huống gián đoạn đường truyền

- Thiết kế Topo mạng đáp ứng giải pháp dự phòng nêu trên, với các yêu cầu về băng thông, độ phủ và tỷ lệ lỗi nằm trong giới hạn cho phép

1.2 ĐỊNH HƯỚNG GIẢI QUYẾT

Bài toán nêu trên là một bài toán phức tạp, có nhiều ràng buộc, đặc biệt là việc cần thiết kế một topo mạng có tính dự phòng cao Để giải quyết vấn đề trên, tác giả phải lần lượt nghiên cứu và giải quyết các bài toán nhỏ hơn, cụ thể như sau:

- Do phải truyền dữ liệu từ các điểm xa nhau, không có kết nối trực tiếp, nên cần phải sử dụng các HAP làm điểm truyền dữ liệu trung gian Từ đó phát sinh vấn đề xác định tọa độ của các HAP để số lượng HAP là nhỏ nhất (mục đích là tiết kiệm chi phí lắp đặt, triển khai các HAP) Chính vì thế cần phải nghiên cứu và áp dụng mô hình phân cụm dữ liệu

- Để xác định đường truyền dữ liệu từ điểm nguồn tới điểm đích, tác giả cần nghiên cứu và áp dụng các giải thuật tìm đường để xác định đường đi ngắn nhất, với ràng buộc là tỷ lệ lỗi trên toàn trình BERe2e nằm trong phạm vi cho phép

- Với yêu cầu topo mạng phải có tính dự phòng, tác giả cần nghiên cứu các cơ chế dự phòng của mạng, theo đường và theo đoạn để có thể xây dựng giải thuật tối ưu

- Với các HAP hiện có sau quá trình phân cụm, việc có đủ cả đường truyền dữ liệu chính và dự phòng có thể không được thỏa mãn, do đó tác giả cần nghiên cứu thêm giải thuật bổ sung các HAP vào topo mạng để có thể thỏa mãn yêu cầu dự phòng cao

Để giải quyết bài toán phân cụm, tác giả sử dụng thuật toán K-mean có chỉnh sửa để thực hiện tìm tọa độ các HAP cần bổ sung

Để thực hiện bài toán tìm đường, có dự phòng và thỏa mãn các điều kiện ràng buộc, tác giả sử dụng thuật toán Suurballe có chỉnh sửa để thực hiện tìm đường đi có

dự phòng theo đường

Ngoài ra, tác giả còn sử dụng thuật toán Dijkstra có chỉnh sửa, để xác định đường đi ngắn nhất và khoảng cách tối thiểu tới điểm đích

Với vấn đề bổ sung các HAP để đảm bảo tính dự phòng, tác giả sử dụng phương pháp hình học Euclid để xác định tọa độ các HAP cần bổ sung trong quá trình xây dựng topo mạng

Trong quá trình xây dựng thuật toán, tác giả đề xuất phương pháp sử dụng các liên kết mặt đất (có dây hoặc không dây) giữa các thiết bị FSO nguồn/đích trong các cụm lân cận, trong điều kiện cho phép về khoảng cách và khả năng lắp đặt

Mục đích của phương pháp trên là sử dụng các đường truyền mặt đất (nếu có)

để truyền dữ liệu sang cụm bên cạnh, tái sử dụng đường đi sẵn có của các thiết bị FSO khác tại cụm lân cận, giảm bớt số HAP cần xây dựng

Để xây dựng các liên kết giữa các thiết bị FSO nguồn (đích) tại hai cụm lân cận, tác giả tạo các kết nối 1-1 giữa các FSO nguồn (đích) tại hai cụm Giới hạn số kết nối là số FSO nguồn (đích) nhỏ nhất của các cụm

Để đánh giá thuật toán, tác giả đề xuất sử dụng hai bộ dữ liệu

- Bộ dữ liệu tổng quát: Trong đó các thiết bị FSO trên mặt đất không có liên kết với nhau

- Bộ dữ liệu có liên kết chọn lọc: Các FSO đóng vai trò thiết bị nguồn hoặc đích tại các cụm lân cận sẽ có liên kết 1-1 với nhau (từng cặp liên kết), trong giới hạn

về khoảng cách

17

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 HỆ THỐNG QUANG KHÔNG DÂY

Truyền quang qua không gian tự do (FSO) hay giao tiếp quang không dây được giới thiệu lần đầu bởi Alexander Graham Bell ở cuối thế kỷ 19 Thí nghiệm FSO của Bell đó là ông đã chuyển đổi tín hiệu âm thanh (giọng nói) thành tín hiệu điện thoại và phát chúng giữa các bộ thu phát qua không gian tự do dọc theo một luồng sáng trong khoảng cách khoảng 183m Thiết bị thí nghiệm của ông được gọi là

“photophone”, Bell coi trọng công nghệ quang này hơn là điện thoại – phát minh vĩ đại của ông vì công nghệ này không cần đến dây dẫn cho việc truyền tín hiệu

Truyền thông không dây là công nghệ sử dụng sự lan truyền ánh sáng trong không gian để truyền dữ liệu Đây là công nghệ truyền thông băng thông rộng tầm nhìn thẳng: Line of Sight (LOS), trong đó ánh sáng được truyền trực tiếp thông qua không khí Các chùm sáng trong hệ thống FSO được truyền bởi ánh sáng laser tập trung vào vùng phát hiện photon có độ nhạy cao

Hệ thống quang không dây cung cấp khả năng truyền tải từ 100 Mbps đến 2,5 Gbps, tầm hoạt động với từ vài trăm mét đến vài kilomet Điểm cốt lõi trong hệ thống FSO là giữa đường truyền của hai thiết bị không có vật cản (Line of sight) Hệ thống FSO hoạt động với bước sóng 1550nm, mắt người ít bị ảnh hưởng bởi bước sóng này,

và bước sóng này ít chịu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và tương thích với cơ sở hạ tầng hiện nay

Việc truyền dữ liệu bằng công nghệ FSO được thực hiện khá đơn giản Hệ thống bao gồm hai thiết bị có nhiệm vụ truyền và nhận tín hiệu quang Mỗi thiết bị

sử dụng nguồn phát ánh sáng (thường là ánh sáng laser) để phát tín hiệu và một thấu kính để thu nhận tín hiệu Kênh truyền tín hiệu là môi trường không khí bên ngoài Chùm sáng được phát ra để truyền tín hiệu là chùm sáng phân kỳ, dạng hình nón, có góc mở rộng hẹp, cỡ vài mrad

Hình 2: Mô hình truyền dữ liệu quang không dây

Các đặc điểm cơ bản của hệ thống FSO như sau:

• Băng thông điều chế rộng

• Búp sóng hẹp

• Không yêu cầu cấp phép phổ tần

• Hệ thống triển khai dễ dàng, nhanh chóng

• Phụ thuộc vào các điều kiện môi trường

Ngoài các điểm trên, các đặc điểm khác của FSO bao gồm:

• Lợi ích từ truyền thông sợi quang hiện tại

• Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

• Không giống như hệ thống có dây, FSO là một hệ thống không cố định có

thể thu hồi tài sản

• Phát xạ phải nằm trong giới hạn an toàn quy định

• Trọng lượng nhẹ và nhỏ gọn

• Tiêu thụ điện năng thấp

• Yêu cầu tầm nhìn thẳng và liên kết chặt chẽ như là một kết quả của việc

19

Bộ phát tín hiệu:

Bộ phát tín hiệu có nhiệm vụ chính là chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, sau đó truyền qua kênh truyền tới bộ thu Phương thức điều chế được sử dụng rộng rãi tại bộ phát là điều chế cường độ, trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang

sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi Bộ phát tín hiệu bao gồm bộ điều chế, mạch điều khiển, nguồn quang, bộ phát tín hiệu

Kênh truyền:

Trong hệ thống quang không dây, kênh truyền tín hiệu là môi trường không khí Tín hiệu chịu ảnh hưởng, hao tổn bởi các yếu tố môi trường Ngoài ra, tín hiệu còn chịu ảnh hưởng bởi các hiện tưởng hấp thụ, tán xạ

Bộ thu tín hiệu:

Bộ thu tín hiệu có nhiệm vụ chính là thu, lọc, khôi phục tín hiệu được phát đi

từ bộ phát, chuyển đổi tín hiệu quang thu được sang tín hiệu điện Các tín hiệu sau khi được chuyển đổi sẽ được chuyển tới các thiết bị đầu cuối Bộ thu bao gồm bộ thu tín hiệu quang, bộ lọc tín hiệu, bộ tách sóng và bộ giải điều chế

2.3 HỆ THỐNG HẠ TẦNG MẠNG TRÊN CAO HAP

High-altitude platform (HAPs) là những máy bay, khinh khí cầu được đặt ở

độ cao trên 20km, trong tầng bình lưu của khí quyển, được sử dụng để thiết lập một mạng viễn thông hoặc thực hiện viễn thám phục vụ người dân hay quân đội Nó có thể là máy bay, tàu bay hoặc khí cầu, có người lại hoặc không có người lái

HAP hoạt động trong tầng bình lưu, nơi mà nhiệt độ giảm dần theo độ cao, HAP nằm ngay trên đỉnh của tầng đối lưu, nơi mà nhiệt độ duy trì ở -60oC, tầng bình lưu bắt đầu ở độ cao 7km ở các địa cực và 18km ở xích đạo, cho đến độ cao 50km

Trong luận văn, tác giả giả thiết độ cao của HAP nằm ở độ cao 20km, tại độ cao này, tốc độ gió là không đáng kể nên các HAP không tốn nhiều năng lượng để duy trì vị trí Một thế mạnh quan trọng khác là độ bao phủ rộng cho việc truyền thông cũng như nằm trên độ cao thương mại

Hình 4: Hệ thống HAP – High Altitude Platform Trong trường hợp sử dụng nhiều HAP, khi các thiết bị FSO trên mặt đất muốn kết nối với nhau, thì thiết bị nguồn sẽ truyền dữ liệu lên HAP tương ứng trên không gian của cụm mặt đất, rồi các thiết bị FSO trên các HAP sẽ truyền dữ liệu cho nhau rồi truyền tới thiết bị FSO đích trên mặt đất

Hình 5: Hệ thống nhiều HAP

21

FSO là một công nghệ tầm nhìn thẳng nên các điểm kết nối buộc phải nhìn thấy nhau Hơn nữa, khi ánh sáng truyền qua không gian, nó phải đối mặt với các thách thức lớn do sự thay đổi của bầu khí quyển như: sương mù, mưa tuyết, sự ô nhiễm, sự hấp thụ, sự tán xạ, sự nhiễu loạn, vật cản vật lý hay sự lệch hướng phát thu khi tòa nhà dao động…

Trong thực tế chất lượng các liên kết FSO phụ thuộc khá nhiều vào điều kiện thời tiết Các liên kết FSO sẽ chịu suy hao đường truyền trong các điều kiện như mưa, sương mù, tuyết

Hình 6: Ảnh hưởng của môi trường tới hệ thống FSO

2.4 PHÂN CỤM FSO SỬ DỤNG THUẬT TOÁN K-MEAN

Phân cụm là kỹ thuật rất quan trọng trong khai phá dữ liệu, nó thuộc lớp các phương pháp Unsupervised Learning trong Machine Learning Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về kỹ thuật này, nhưng về bản chất ta có thể hiểu phân cụm là các qui trình tìm cách nhóm các đối tượng đã cho vào các cụm (clusters), sao cho các đối tượng trong cùng 1 cụm tương tự (similar) nhau và các đối tượng khác cụm thì không

tương tự (Dissimilar) nhau

K-Means là thuật toán rất quan trọng và được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật phân cụm Tư tưởng chính của thuật toán K-Means là tìm cách phân nhóm các đối tượng (objects) đã cho vào K cụm (K là số các cụm được xác đinh trước, K nguyên dương) sao cho tổng bình phương khoảng cách giữa các đối tượng đến tâm nhóm (centroid) là nhỏ nhất

Khởi tạo n tâm cụm ngẫu nhiên

Gán các node vào cụm gần nhất

Các cụm ổn định, không thay đổi

Tính lại tọa độ tâm cụm

No

Yes

Hình 7: Mô hình thuật toán K-Mean Trong việc phân cụm thông qua thuật toán K-mean, việc xác định số cụm K rất quan trọng, có nhiều phương pháp sử dụng xác định số cụm như phương pháp elbow, … Trong luận văn tác giả dựa vào các điều kiện ràng buộc để xác định số cụm:

- Số thiết bị FSO tối đa trong một cụm

- Số cụm là số tối thiểu để giảm chi phí lắp đặt, duy trì và thiết bị

Khi áp dụng mô hình thuật toán K-mean vào việc phân cụm các thiết bị FSO dưới mặt đất, tác giả đưa thêm các điều kiện ràng buộc để giải quyết yêu cầu luận văn:

Điều kiện 1: Giả thiết rằng các liên kết từ thiết bị FSO dưới mặt đất tới HAP

có băng thông tối đa là bằng nhau và mỗi HAP chỉ cung cấp một ngưỡng băng thông nhất định Theo tài liệu ITU [2], tại độ cao 20km, khẩu độ mở của thiết bị FSO đặt trên HAP là 25o, thì băng thông tối đa cho mỗi liên kết với các thiết bị FSO dưới mặt

23

đất là 2Mb/s đến 45Mb/s Vì thế trong luận văn, để thử nghiệm tác giả chọn băng thông tối đa cho mỗi liên kết là 10Mb/s, giới hạn băng thông cho tổng băng thông liên kết từ các thiết bị FSO tới HAP là 1000Mb/s Với lựa chọn này, tổng số thiết bị FSO trong một cụm không vượt quá 100 thiết bị

Điều kiện 2: Trong luận văn, tác giả thử nghiệm với độ bao phủ của thiết bị

HAP là 30km, dựa trên tài liệu: ITU [2], tài liệu này khuyến khích một số tham số

triển khai HAP với khẩu độ mở của thiết bị FSO đặt trên HAP là 25otại độ cao 20km, thì bán kính bao phủ của HAP đặt tại tâm của khu vực là 30km

2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ PHÒNG ĐƯỜNG ĐI

Trong việc thiết kế topo mạng, việc đưa ra các phương pháp dự phòng và khôi phục là vô cùng quan trọng, để đảm bảo tính ổn định của mạng lưới

Các sự cố thường gặp trên đường truyền rất đa dạng, như đứt cáp, nhiễu tín hiệu, ảnh hưởng bởi thời tiết: mây, mưa, sương mù, Các sự cố có thể xảy ra tại các nút mạng, hoặc kết nối giữa các điểm với nhau Có thể xảy ra lỗi đơn hoặc đồng thời nhiều lỗi cùng lúc

Các yếu tố đánh giá chất lượng mạng: Thời gian gián đoạn càng nhỏ càng tốt, tính sẵn sàng của dịch vụ và khả năng duy trì dịch vụ khi xảy ra lỗi

Để xây dựng hệ thống mạng có tính dự phòng cao, cần có kế hoạch đối phó với các lỗi có thể xảy ra, và bổ sung tính năng dự phòng tài nguyên và lên phương án khôi phục một cách nhanh chóng

Các phương pháp bảo vệ mạng:

Hình 8: Kiến trúc bảo vệ mạng

Để dự phòng mạng lưới, có thể có các phương pháp dự phòng sau:

- Dự phòng theo topo:

✓ Dự phòng vòng

✓ Dự phòng tuyến tính: Link, đoạn, đường

- Dự phòng theo việc sử dụng tài nguyên:

25

2.5.2 Dự phòng tuyến tính:

Là dự phòng thiết kế theo đường thẳng, gồm 3 loại: link, đoạn, đường

Hình 10: Dự phòng tuyến tính

2.5.3 Dự phòng theo tài nguyên:

- Dự phòng dành riêng: Một tài nguyên dự phòng chỉ được dùng để bảo vệ một đường truyền chính

- Dự phòng chia sẻ: Một tài nguyên dự phòng có thể được dùng trong nhiều đường dự phòng để bảo vệ nhiều đường truyền chính

Thông thường, dự phòng chia sẻ có tốc độ khôi phục chậm hơn dự phòng dành riêng do mất thời gian thành lập đường dự phòng từ các tài nguyên dự phòng khi sự cố xảy ra

Hình 11: Dự phòng dành riêng và dự phòng chia sẻ Với các phương pháp dự phòng như trên, áp dụng các yêu cầu, ràng buộc của bài toán: Có thể xảy ra lỗi kết nối ở bất cứ điểm nào trên đường đi Tác giả lựa chọn