Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG──────── * ─────── LUẬN VĂN THẠC SĨNGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TINThiết kế topo cho mạng lưới không gian tự do
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 Học viên thực : Nguyễn Mạnh Tiến Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trương Thị Diệu Linh HÀ NỘI 3-2019 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113910581000000 PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Thông tin học viên Họ tên học viên: Nguyễn Mạnh Tiến Điện thoại liên lạc: 0915054001 Email: tienbk79@gmail.com Khóa CH2016B Hệ đào tạo: Đại học quy Luận văn thạc sĩ thực tại: Viện Công nghệ thông tin Truyền thông, Đại học Bách khoa Hà Nội Thời gian làm luận văn: Từ ngày 23/11/2017 đến 27/03/2019 Mục đích nội dung luận văn - Xây dựng phương án, giải pháp dự phịng có tình gián đoạn đường truyền - Thiết kế Topo mạng đáp ứng giải pháp dự phòng nêu trên, với yêu cầu băng thông, độ phủ tỷ lệ lỗi nằm giới hạn cho phép Các nhiệm vụ cụ thể luận văn - Tìm hiểu lý thuyết truyền thơng quang khơng dây FSO - Tìm hiểu phương pháp giải toán đặt - Đề xuất giải pháp cho toán thiết kế topo đáp ứng khả dự phịng cho mạng quang khơng dây - Cài đặt đánh giá hiệu giải thuật đề xuất Lời cam đoan học viên: Tôi – Nguyễn Mạnh Tiến – cam kết luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS Trương Thị Diệu Linh Các kết nêu luận văn thạc sĩ trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận văn ễ h ế Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận văn cho phép bảo vệ: Hà Nội, ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn Trương Thị Diệu Linh LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trương Thị Diệu Linh, người tận tình dạy dỗ, bảo, hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Đồng thời xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy, cô Viện Công nghệ thông tin truyền thơng nói riêng thầy, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung, người dạy dỗ truyền đạt cho kiến thức quý báu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè, người ủng hộ, hỗ trợ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Hà Nội, tháng năm 2019 Học viên : Nguyễn Mạnh Tiến MỤC LỤC PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CẢM ƠN .3 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC HÌNH ẢNH 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 MƠ 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 CĨ DỰ PHỊNG SỬ DỤNG THUẬT TỐN SUURBALLE 26 2.7 XÂY DỰNG MƠ 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 CĨ DỰ PHỊNG CHO MỖI CẶP NGUỒN – ĐÍCH 35 3.5 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN BỔ SUNG CÁC HAP 37 3.6 ĐỀ XUẤT THUẬT TỐN XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐI DỰ PHỊNG CHO CÁC CẶP NGUỒN ĐÍCH CHỈ CĨ 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 phân cụm node 40 4.3.2 Kết phân cụm node có phân vùng 41 4.3.3 Thử nghiệm với cụm FSO, có đường liên kết cụm khác 42 4.3.4 Kết sử dụng giải thuật đề xuất, bổ sung đường 43 4.3.5 Kết sử dụng giải thuật đề xuất, bổ sung đường thứ hai .43 4.3.6 Kết áp dụng cho nhiều cặp nguồn đích, sử dụng liệu khơng có liên kết mặt đất 45 4.3.7 Kết sử dụng liệu bổ sung liên kết mặt đất FSO nguồn 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 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 luận văn - Xây dựng phương án, giải pháp dự phịng có tình gián đoạn đường truyền - Thiết kế Topo mạng đáp ứng giải pháp dự phòng nêu trên, với yêu cầu băng thông, độ phủ tỷ lệ lỗi nằm giới hạn cho phép Các nhiệm vụ cụ thể luận văn - Tìm hiểu lý thuyết truyền thông quang không dây FSO - Tìm hiểu phương pháp giải tốn đặt - Đề xuất giải pháp cho toán thiết kế topo đáp ứng khả dự phòng cho mạng quang không dây - Cài đặt đánh giá hiệu giải thuật đề xuất Nội dung tóm tắt: Truyền thông quang không dây (FSO) công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua mơi trường vơ tuyến (khơng gian tự do) Trong năm gần đây, truyền thông quang không dây xem giải pháp hứa hẹn thay cho kết nối vô tuyến băng rộng nhờ ưu điểm mà có bao gồm: tốc độ cao, chi phí hiệu quả, khơng yêu cầu cấp phép tần số, triển khai nhanh linh hoạt Với ưu điểm trên, hệ thống mạng truyền thông quang không dây triển khai nhiều công ty truyền thông lớn giới: SpaceX, Facebook, Google,…Ở Việt Nam, vị trí địa lý gần biển, thường xảy thiên tai lũ lụt, địa hình tổng thể có nhiều khu vực đồi núi, hiểm trở, việc nghiên cứu, phát triển áp dụng công nghệ truyền thông quang không dây tương lai hướng phù hợp Truyền thông quang không dây dựa quy tắc tầm nhìn thẳng: Light Of Sight (LOS) , nhiên, bên cạnh ưu điểm, hệ thống mạng truyền thông quang không dây gặp phải thách thức cần phải vượt qua giới hạn khoảng cách truyền, chịu ảnh hưởng mạnh yếu tố tác động môi trường truyền lan không gian mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… đặc biệt nhiễu loạn khơng khí Trong việc triển khai mạng quang khơng dây, để khắc phục khó khăn việc triển khai thiết bị FSO mặt đất đồi núi hiểm trở, thiên tai lũ lụt, … việc sử dụng thiết bị HAP trở nên quan trọng HAP (High Altitude Platform) vật thể bay gần cố định, cung cấp số dịch vụ cho khu vực rộng lớn, nằm độ cao hàng chục km không khoảng thời gian dài Một HAP thường hoạt động thiết kế hoạt động độ cao 17-22km hoạt động khoảng 3-4 giờ, chí ngày Tuy nhiên với việc ảnh hưởng yếu tố môi trường nhiễu loạn khơng khí, mây, mưa, sương mù, … việc đường truyền liệu hoạt động ổn định bị gián đoạn xảy ra, đặt vấn đề cần có đường truyền liệu dự phòng Mục tiêu nghiên cứu luận văn thiết kế topo mạng, vị trí đặt HAP để đảm bảo tính dự phịng mạng quang khơng dây Trong luận văn, tác giả trình bày lý thuyết truyền thông quang không dây FSO, hạ tầng mạng cao, ưu điểm nhược điểm hệ thống Ngoài ra, tác giả trình bày thuật tốn phân cụm, tìm đường, giải thuật áp dụng để xây dựng topo mạng có tính dự phịng cao Để giải toán luận văn đưa ra, tác giả đề xuất giải pháp gồm vấn đề sau: Thực phân cụm thiết bị FSO mặt đất, cụm có HAP thực việc truyền liệu tới thiết bị cụm Thực giải thuật Suurballe có chỉnh sửa, bổ sung điều kiện để tìm đường có dự phịng Thực bổ sung thiết bị HAP theo phương pháp hình học Euclid, để xác định tọa độ lắp đặt thiết bị đường Sử dụng giải thuật Dijkstra có chỉnh sửa để xác định đường tối ưu cần thiết lập, bổ sung Bổ sung liên kết mặt đất thiết bị nguồn (đích) cụm lân cận (với điều kiện ràng buộc khoảng cách cho phép lắp đặt), mục đích để tái sử dụng lại đường từ thiết bị cụm lân cận, giảm bớt số lượng HAP cần bổ sung Phần cuối tác giả đưa mơ hình thử nghiệm, giá trị đầu vào để đánh giá, nhận xét tính khả thi, mức độ tối ưu hướng phát triển Dựa vào kết thử nghiệm liệu, với hiệu rõ rệt, tác giả đề xuất bổ sung thêm liên kết chéo thiết bị FSO cụm lân cận mặt đất, để tận dùng đường có sẵn, giảm thiểu chi phí vận hành số lượng thiết bị cần lắp đặt Kết đạt được: Trong q trình nghiên cứu hệ thống truyền thơng khơng dây FSO, xây dựng topo mạng có tính dự phịng, tác giả hoàn thành mục tiêu luận văn, cụ thể là: - Tìm hiểu lý thuyết hệ thống truyền thông quang không dây, đặc điểm cấu trúc thiết bị HAP, chế hoạt động, phối hợp HAP thiết bị FSO - Tìm hiểu chế dự phịng việc truyền thơng quang khơng dây, nghiên cứu thuật toán đề xuất chỉnh sửa, bổ sung Dijkstra, Suurballe, KMean, … - Đề xuất thuật toán cho toán thiết kế topo đáp ứng khả dự phịng cho mạng quang khơng dây - Đề xuất giải pháp bổ sung HAP không gian, đáp ứng yêu cầu dự phòng tối thiểu HAP cần sử dụng - Đề xuất giải pháp sử dụng liên kết mặt đất điều kiện cho phép, để tăng hiệu thuật toán việc bổ sung HAP - Cài đặt đánh giá hiệu giải thuật đề xuất Trong phạm vi luận văn, tác giả trình bày giải thuật xây dựng topo mạng có dự phịng, với đặc tính áp dụng thuật tốn tìm đường có chỉnh sửa: Dijkstra, Suurballe, thuật toán phân cụm KMean, … đề xuất phương pháp hình học Euclid để xác định tọa độ thiết bị HAP, phương pháp bổ sung liên kết thiết bị FSO mặt đất Với việc áp dụng giải thuật luận văn, với toán sử dụng nhiều cặp nguồn đích, việc bổ sung HAP cho đường cặp nguồn đích sau, tái sử dụng HAP xây dựng trước đó, nên tối thiểu chi phí lắp đặt triển khai HAP DANH MỤC HÌNH ẢNH STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Hình ảnh Trang Hình 1: Mơ hình mạng quang khơng dây 11 Hình 2: Mơ hình truyền liệu quang khơng dây 15 Hình 3: Mơ hình hệ thống truyền thơng quang khơng dây FSO 16 Hình 4: Hệ thống HAP – High Altitude Platform 18 Hình 5: Hệ thống nhiều HAP 18 Hình 6: Ảnh hưởng mơi trường tới hệ thống FSO 19 Hình 7: Mơ hình thuật tốn K-Mean có bổ sung 20 Hình 8: Kiến trúc bảo vệ mạng 21 Hình 9: Dự phịng theo vịng 22 Hình 10: Dự phịng tuyến tính 23 Hình 11: Dự phòng dành riêng dự phòng chia sẻ 23 Hình 12: Tìm đường có dự phịng theo thuật tốn Suurballe 25 Hình 13: Sơ đồ tổng qt thuật tốn 30 Hình 14: Thuật tốn phân cụm có điều chỉnh điều kiện 32 Hình 15: Giải thuật tìm đường có dự phịng 34 Hình 16: Thuật tốn bổ sung HAP trung gian 36 Hình 17: Kết phân cụm với Cluster 300 thiết bị FSO 38 Hình 18: Kết phân cụm với Cluster hai vùng độc lập 39 Hình 19: Mơ hình giả lập phân cụm bổ sung liên kết cụm kề 40 Hình 20: Sử dụng thuật toán xây dựng đường đi, xác định đường 41 Hình 21: Đường dự phịng 42 Hình 22: Danh sách HAP thực hai lần cho hai cặp nguồn – đích 43 Hình 23: Mơ hình mạng cho hai cặp nguồn đích 43 Hình 24: Mơ hình mạng cho ba cặp nguồn đích 44 Hình 25: Đồ thị đánh giá số lượng HAP cần bổ sung theo số lượng cặp FSO 46 nguồn – đích Hình 26: Đường hai cặp nguồn – đích trường hợp sử dụng liên kết 47 mặt đất hai cụm kề Hình 27: Đồ thị đánh giá số lượng HAP cần bổ sung theo số lượng cặp FSO 47 nguồn – đích trường hợp bổ sung liên kết mặt đất DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ FSO BER LOS FEC ILP API Free Space Optics Bit Error Rate Line Of Sight Bit Error Rate end-to-end Forward Error Correction Interger Linear Programing Application Program Interface Mạng quang khơng dây Tỷ lệ lỗi Bit Tầm nhìn thẳng BER từ điểm đầu đến điểm cuối Kỹ thuật sửa lỗi hướng Chương trình quy hoạch tuyến tính Giao diện chương trình ứng dụng DANH MỤC BẢNG STT Tên Bảng 1: Số HAP cần bổ sung theo số cặp nguồn đích với liệu khơng sử dụng liên kết mặt đất Bảng 2: Số HAP cần bổ sung theo số cặp nguồn đích với liệu bổ sung liên kết mặt đất Trang 46 47 10