Thiết kế và tối ưu mạng truyền thông quang không dây trong không gian sử dụng hạ tầng mạng trên ao (high altitude platform)

Mục đích nội dung của luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu mô hình mạng truyền thông quang không dây trong không gian sử dụng hệ thống hạ tầng mạng trên cao High Altitude Platform.. Các nhiệm vụ

Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 1

TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

──────── * ───────

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Thiết kế và tối ưu mạng truyền thông quang không dây trong không gian sử dụng hạ tầng

Sinh viên thực hiện : Vũ Phạm Minh Hiển

CBC17018

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

HÀ NỘI 12- 2017

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1 Thông tin về sinh viên

Họ và tên sinh viên: Vũ Phạm Minh Hiển

Điện thoại liên lạc: 0979816380 Email: minhhienpfiev@gmail.com

Khóa: CLC2017B Hệ đào tạo: Đại học chính quy

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

Thời gian làm luận văn thạc sĩ: Từ ngày 26/07/2017 đến 26/12/2017

2 Mục đích nội dung của luận văn thạc sĩ:

Nghiên cứu mô hình mạng truyền thông quang không dây trong không gian sử dụng hệ thống hạ tầng mạng trên cao (High Altitude Platform) Xác định vị trí của các HAP trên không, thiết kế topo mạng giữa các HAP

3 Các nhiệm vụ cụ thể của luận văn thạc sĩ:

 Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu các khái niệm về truyền thông quang không dây (FSO),

hạ tầng mạng trên cao (HAP): Cách thức hoạt động, sơ đồ mạng, các thiết bị

đi kèm, cách thức vận hành của thiết bị…

 Nhiệm vụ 2: Vận dụng thuật toán phân cụm K mean, thuật toán tìm đường Dijkstra, thuật toán Heuristic,…để thiết kế topo mạng giữa các HAP và phân

-bố vùng bao phủ của các HAP

4 Lời cam đoan của sinh viên:

Tôi –Vũ Phạm Minh Hiển - 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 26 tháng 12 năm 2017

Tác giả luận văn

Vũ Phạm Minh Hiển

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

Hà Nội, ngày 26 tháng 12 năm 2017

Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Trương Thị Diệu Linh

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin nói chung và mạng Internet nói riêng, người dùng có những yêu cầu cao hơn về tốc độ băng thông cũng như đường truyền mạng Với lý do trên, sử dụng cáp quang để trong truyền thông đang trở nên phổ biến Việc sử dụng cáp quang tồn tại những khó khăn trong việc thiết lập mạng lưới dây cáp (đặc biệt là ở các vùng có địa hình phức tạp như đồi núi, hải đảo…), các tác động của con người, thiên tai có thể ảnh hưởng đến đường dây cáp Việc phục hồi mạng cho các khu vực sau thảm họa thiên nhiên, cũng như việc cung cấp dịch vụ mạng đến những vùng hẻo lánh, hải đảo trở nên dễ dàng hơn rất nhiều với việc sử dụng hệ thống mạng quang không dây Free Space Optics kết hợp

sử dụng hạ tầng mạng trên cao (HAP- High Altitude Platform)

FSO là công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua môi trường không gian 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 việc triển khai hệ thống truyền quang không dây trên các khu vực có địa hình đồi núi là vô cùng khó khăn, hạn chế tầm nhìn bởi cây cối, chênh lệch

độ cao giữa các vị trí Do đó, một giải pháp đưa ra là sử dụng các hạ tầng mạng trên cao làm trung gian để truyền thông giữa các thiết bị FSO dưới mặt đất

HAP (Hight Altitude Platform) là một vật thể bay gần như cố định, cung cấp một số các 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.-

Việc thiết kế hệ thống mạng trong trường hợp này là khó khăn, với nhiều ràng buộc liên quan tới khoảng cách, băng thông sử dụng giữa các thiết bị Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định vị trí đặt các HAP và thiết kế topo mạng giữa các HAP này

Trong luận văn, tác giả sẽ tìm hiểu những lý thuyết cơ bản của truyền thông quang không không dây (FSO), hạ tầng mạng trên cao (HAP), những khái niệm cơ bản, sơ đồ hệ thống, những thuận lợi cũng như thách thức của hệ thống Các thuật toán phân cụm, tìm đường, tối ưu hóa cũng sẽ được đề cập trong luận văn Tiếp đó, mục tiêu chính của luận văn sẽ là xác định vị trí đặt các HAP bằng cách phân cụm các nút mạng dưới mặt đất, sau đó xây dựng hệ thống liên kết mạng giữa các HAP

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 suốt 5 năm học vừa qua

Tiếp đó tôi xin được gửi lời cảm ơn tới các bạn trong lớp K57 nói riêng và các bạn sinh viên trong trường nói chung vì đã đem đến cho tôi một môi trường học thân thiện và hòa đồng, giúp đỡ lẫn nhau cùng tiến bộ

KSCLC-HTTT&TT-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, ngày 26 tháng 12 năm 2017

Vũ Phạm Minh Hiển

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHI M V LUỆ Ụ ẬN VĂN THẠC SĨ 2

TÓM TẮT N I DUNG LUỘ ẬN VĂN THẠC SĨ 3

LỜI CẢM ƠN 5

MỤC LỤC 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

DANH MỤC TỪ ẾT TẮVI T, THU T NG 9Ậ Ữ CHƯƠNG 1: GIỚI THI U CHUNG V Ệ Ề ĐỀ TÀI VÀ HƯ NG GI I QUY T 12Ớ Ả Ế 1.1 Đặt vấn đề 12

1.2 Định hướng gi i quy t 13ả ế CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUY T 15Ế 2.1 H ệthống quang không dây 15

2.2 Mô hình h ệthống FSO 16

2.3 H ệthống h t ng m ng trên cao HAP 17ạ ầ ạ 2.4 Phân c m nút m ng b ng thu t toán K-mean 20ụ ạ ằ ậ 2.4.1 T ng quan v ổ ềthuật toán K-mean Các khái ni– ệm cơ bản 20

2.4.2 Các điều ki n ràng bu c khi th c hi n phân c m các thi t b ệ ộ ự ệ ụ ế ị FSO dưới mặt đất bằng thu t toán K-mean 21ậ 2.5 Thiết kế topology m ng HAP b ng thu t toán Dijkstra và Heuristic 22ạ ằ ậ 2.5.1 T ng quan v ổ ềthuật toán Dijkstra và gi i thu t Heuristic 22ả ậ 2.5.2 Các điều ki n ràng bu c khi xây d ng mô hình m ng HAP s d ng thuệ ộ ự ạ ử ụ ật toán Dijkstra và giải thuật Heuristic 22

2.5.3 T l l i bit BER 22ỉ ệ ỗ – CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THU T TOÁN THI T K TOPO M NG FSO S Ậ Ế Ế Ạ Ử D NG HAP 25Ụ 3.1 Ý tưởng chung 25

3.2 Phân chia các thiết bị FSO v các HAP 26ề 3.3 Thiế ết k topo m ng giạ ữa các HAP 28

CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT THU T TOÁN, K T QU TH C HI N 30Ậ Ế Ả Ự Ệ 4.1 Môi trường cài đặt thuật toán 30

4.2 Kết quả thử nghi m 30ệ 4.2.1 Kết quả phân chia các thiết bị FSO v các HAP 30ề 4.2.2 Kết quả chương trình thiết kế topo m ng 33ạ 4.3 Đánh giá kết qu ả thu được 40

CHƯƠNG 5: KẾT LU N 41Ậ 5.1 Kết quả đạt được 41

5.2 Những điểm còn h n ch 41ạ ế 5.3 Hướng phát tri n 41ể 5.4 Kết luận chung 42 TÀI LIỆU THAM KH O 43Ả

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 : Mô hình mạng multi-HAP kết hợp FSO 12

Hình 2.1: Mô hình truyền quang giữa 2 thiết bị FSO 15

Hình 2.2: Mô hình hệ thống truyền thông quang không dây 16

Hình 2.3: Máy bay không người lái Proteus 18

Hình 2.4: Tốc độ gió theo độ cao 18

Hình 2.5: Cấu hình cơ bản của hệ thống mạng trong trường hợp 1 HAP 19

Hình 2.6: Cầu hình mạng cơ bản trong trường hợp sử dụng nhiều HAP 20

Hình 2.7: Mô hình thuật toán K-mean 21

Hình 2.8: Sơ đồ liên kết mạng ví dụ tính BER 24

Hình 3.1: Sơ đồ thuật toán 26

Hình 3.2: Sơ đồ khối chương trình phân chia các thiết bị FSO dưới mặt đất 27

Hình 3.3: Sơ đồ khối chương trình thiết kế topo mạng 29

Hình 4.1: Kết quả phân cụm các thiết bị FSO mặt đất với 8 HAP 31

Hình 4.2: Tọa độ tâm 8 HAP 31

Hình 4.3: Kết quả phân cụm các thiết bị FSO mặt đất với 9 HAP 32

Hình 4.4: Tọa độ tâm 9 HAP 32

Hình 4.5: Kết quả phân cụm các thiết bị FSO mặt đất với 10 HAP 33

Hình 4.6: Tọa độ tâm 10 HAP 33

Hình 4.7: Kết quả thiết kế topo mạng cho 8 HAP 34

Hình 4.8: Kết quả của 8 HAP 35

Hình 4.9: Kết quả thiết kế topo mạng cho 9 HAP 36

Hình 4.10: Kết quả của 9 HAP 37

Hình 4.11: Kết quả thiết kế topo mạng cho 10 HAP 38

Hình 4.12: Kết quả của 10 HAP 39

Hình 4.13: Thống kê số lượng HAP và số liên kết FSO………39

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ

Từ viết tắt,

FSO Free Space Optics Truyền thông quang không dây HAP High Altitude Platform Hạ tầng mạng trên cao

LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng, tín hiệu ánh sáng

truyền đi giữa hai thiết bị đặt thẳng nhau

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ trên đường

truyền

MIB Management Information

ITU-R International

Telecommunication Union

Radiocommunication Sector

Liên minh Viễn thông Quốc tế Tập trung vào việc xác định các tần

số radio toàn cầu đáp ứng lợi ích của các nhóm cạnh tranh nhau

Rx Power Receive Power Công suất tín hiệu đo được tại nơi

đặt thiết bị thu

hai giá trị

dBm Decibel-miliwatt Là một đơn vị so sánh tuyệt đối với

1mW

MỞ ĐẦU

Với sự gia tăng của nhu cầu sử dụng Internet của người sử dụng, điều đó đòi hỏi yêu cầu về băng thông, tốc độ đường truyền và chất lượng dịch vụ phải được đảm bảo, những ưu điểm về băng thông, truyền thông bằng cáp quang trở nên phổ biến Tuy nhiên, những khó khăn trong việc triển khai hệ thống dây cáp, các nguy hiểm trong quá trình triển khai đối với người thực hiện, tại các quốc gia thường xuyên xảy thiên tai động đất, lũ lụt như Hàn Quốc, Nhật Bản, Mỹ, Việt Nam,…việc triển khai cũng như khắc phục sau thiên tai là vô cùng khó khăn và phức tạp Ngoài những khó khăn trên, có những lý do ngẫu nhiên khiến dây cáp bị đứt, ngoài tầm kiểm soát

Truyền thông quang không dây (FSO Free Space Optical) là một hệ thống bao gồm hai thiết bị đặt tại vị trí có thể nhìn thấy nhau theo đường thẳng, khoảng cách giữa hai thiết bị có thể lên đến hàng trăm hay hàng nghìn mét, là một bước đi mới, nhằm cải thiện, giải quyết những nhược điểm của truyền thông cáp quang, vẫn đảm bảo những yêu cầu về chất lượng của đường truyền Việc triển khai một hệ thống FSO là tương đối đơn giản và nhanh chóng do các thiết 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

-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,…

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,

Truyền thông quang không dây sử dụng các hạ tầng mạng trên cao còn gặp nhiều khó khăn trong việc triển khai Ví dụ, hiện nay Google sử dụng khinh khí cầu

có lắp đặt các thiết bị FSO, các khinh khí cầu này có thể bay trong khoảng thời gian

là 7 giờ, đây là số giờ bay thấp, cần liên tục hạ cánh để nạp năng lượng Việc phát triển giải pháp sử dụng pin mặt trời đang trong giai đoạn nghiên cứu, chưa được áp dụng vào thực tiễn Tuy nhiên, việc sử dụng kết hợp các thiết bị truyền quang không dây và hạ tầng mạng trên cao đem đến nhiều ưu điểm luận văn tập trung vào giải quyết các vấn đề liên quan đến thiết kế topo mạng cho việc truyền thông giữa các thiết bị FSO dưới mặt đất sử dụng các HAP

Luận văn có các nhiệm vụ tổng quan như sau:

 Xác định v trí lị ắp đặt các HAP

 Thiế ết k topo m ng cho các HAP ạ

Luận văn được th c hi n trong quá trình th c t p t i phòng thí nghi m Công ự ệ ự ậ ạ ệngh m ng và truy n thông, tòa nhà B1 ệ ạ ề – Đại h c Bách Khoa Hà N i Vọ ộ ới môi trường nghiên c u thu n l i, chuyên nghi p, trang thi t b ứ ậ ợ ệ ế ị được cung cấp đầy đủ các thi t b ế ịFSO th c t , cùng s ự ế ự hướng d n t n tình cẫ ậ ủa PGS.TS Trương Thị Di u Linh, tác gi ệ ả

đã thu được nh ng ki n th c và kinh nghi m quý báu trong th i gian th c t p tữ ế ứ ệ ờ ự ậ ại đây

B cố ục của luận văn bao gồm các ph n sau: ầ

 Chương 1: Gi i thi u chung v ớ ệ ề đề tài và hướng gi i quy t t vả ế Đặ ấn đề và nêu ra hướng gi i quy t c a luả ế ủ ận văn

 Chương 2 Cơ sở: thuylý ết Trình bày nh ng khái niữ ệm cơ bản v truyề ền thông quang không dây, mô hình cơ bản c a h th ng quang không dây Mô ủ ệ ốhình h ệthống HAP Các thu t toán phân cậ ụm, tìm đường, tối ưu hóa,…

 Chương 3: Xây d ng thu t toán thi t k topo m ng FSO s d ng HAP ự ậ ế ế ạ ử ụ

Xây dựng bài toán đề tài, hướng gi i quy t Xây d ng mô hình h ả ế ự ệ thống, chương trình Triển khai các thuật toán trên để xây d ng h th ng m ng ự ệ ố ạ

sau khi viết chương trình triển khai các thu t toán trên Nh n xét và phân tích ậ ậcác kết quả đạ t được

 Chương 5: K t lu n và phát tri n Sau khi hoàn thành luế ậ ể ận văn, tác giả đưa

ra một vài kết luận v công viề ệc đã làm, đưa ra định hướng phát tri n vể ấn đề

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI VÀ HƯỚNG GIẢI

QUYẾT

Ngày nay tại một số nước phát triển, hệ thống truyền quang không dây đã được đưa vào thử nghiệm và lắp đặt cho nhiều tập đoàn lớn, mang lại hiệu quả đáng kể Tại Việt Nam do giá thành thiết bị tương đối lớn, cơ sở hạ tầng chưa thực sự phát triển nên các hệ thống quang không dây còn chưa phổ biến Tuy nhiên, trong thời gian tới, với những ưu điểm nổi trội thì hệ thống này sẽ dần trở nên phổ biến

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 s cố đứt cáp Với những ưu điểm trên, hệ thống mạng quang không dây ự

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,…

Qua quá trình nghiên cứu, tác giả nhận ra việc triển khai hệ thống truyền thông quang không dây trên một thành phố, đảo cần phải sử dụng nhiều các thiết bị truyền quang, lắp đặt trên độ cao lớn (>18km) Giải pháp đặt ra là sử dụng các thiết bị truyền thông quang không dây FSO, đặt trên các HAP tham khảo Hình 1.1 Để bao phủ một khu vực có diện tích lớn, cần sử dụng nhiều thiết bị FSO cũng như HAP Tuy nhiên, giá thành các thiết bị FSO và HAP là đắt, không thể lắp đặt quá nhiều Mặt khác, mỗi thiết bị FSO đặt trên HAP chỉ có thể bao phủ một khoảng diện tích nhất định, dó đó cũng không thể lắp đặt quá ít Với yêu cầu trên cần có mô hình xem xét về việc xây dựng vị trí điểm đặt các HAP cũng như mô hình truyền thông giữa các HAP

Hình 1.1: Mô hình mạng multi HAP kết hợp FSOBài toán được đặt ra như sau: Giả sử có một số điểm thu thập dữ liệu dưới mặt đất cần truyền tín hiệu cho nhau, các điểm này được trang bị các thiết bị quang không dây như: máy thu phát quang FSO Các thiết bị này được giới hạn về băng thông, các điểm này nằm các xa nhau, không thể kết nối trực tiếp Để truyền tín hiệu giữa các

-thiết bị FSO này, ta sẽ sử dụng các HAP làm điểm kết nối trung gian, các HAP này cần được kết nối với nhau và giao tiếp với các thiết bị FSO bên dưới mặt đất Ta cần xác định vị trí các HAP để các thiết bị FSO đều được kết nối đến một HAP và nhu cầu truyền tin giữa các FSO mặt đất được thỏa mãn Vấn đề về tỉ lệ lỗi bit BER đầu cuối cũng cần được giải quyết khi thiết kế topo mạng cho hệ thống này

Bài toán được phát biểu cụ thể như sau:

 Cho trước v trí các điị ểm đặt thi t b ế ị FSO dưới m t đ t.ặ ấ

 Cho trước băng thông tối đa của m i thi t b FSO.ỗ ế ị

 Cho trước băng thông tối đa của HAP cung c p cho các thi t b ấ ế ị FSO dưới m t ặđất

 Cho trước ma tr n yêu c u k t n i gi a các thi t b ậ ầ ế ố ữ ế ị FSO dưới mặt đất dưới

d ng ba tham sạ ố: điểm đầu, điểm cuối, băng thông yêu cầu

 Cho trước băng thông tối đa giữa các HAP

Yêu cầu đặt ra là:

 Thực hi n chia các thi t b FSO mệ ế ị ặt đấ ềt v các HAP ph trách sao cho th a ụ ỏmãn các yêu c u v ầ ề băng thông, độ ph c a m t HAP T ủ ủ ộ ừ đó xác định v trí ịđặt các HAP

 Với các v ịtrí điểm đặt HAP có được, thi t k mô hình topo m ng cho các HAP ế ế ạsao cho th a mãn các yêu cỏ ầu băng thông giữa các HAP và thỏa mãn ngưỡng BER đầu cu i ố

Với các dữ liệu đầu vào, yêu cầu của bài toán như trên, có thể thấy rõ ràng hai nhiệm vụ của luận văn:

 Nhiệm vụ 1: Trong nhiệm vụ thứ nh t, tác gi ấ ảthiết kế chương trình phân cụm các nút mạng dưới mặt đất, tìm v trí đi m lị ể ắp đặt HAP với một số ràng buộc

 Nhiệ m v 2 ụ : Trong nhi m v ệ ụ thứ hai, yêu cầu bài toán đặt ra là thi t k mô ế ếhình liên k t m ng cho các HAP v i m t s ế ạ ớ ộ ố điều ki n ràng buệ ộc cho trước

Bài toán nêu trên là một bài toán phức tạp với nhiều ràng buộc nên việc tìm kiếm một giải thuật để giải quyết là khó khăn Do đó, để giải quyết các vấn đề trên, tác giả cần nghiên cứu về các mô hình phân cụm dữ liệu, các mô hình bài toán thiết

kế mô hình mạng không dây, mô hình tính BER cho các liên kết quang không dây

Đã có bài báo [1] giải quyết vấn đề phân chia các điểm mạng dưới mặt đất bằng thuật toán K mean Tuy nhiên, bài báo không đề cập đến các điều kiện ràng -buộc về độ bao phủ của HAP, số lượng điểm mạng tối đa trong một cụm, cũng như chưa thiết kế topo mạng giữa các HAP

Để giải quyết nhiệm vụ thứ nhất, tác giả sử dụng thuật toán K mean để thực hiện phân cụm các thiết bị FSO về các HAP Tuy nhiên, K mean không tích hợp các -

-ràng buộc về khoảng cách tối đa giữa các thiết bị FSO với hình chiều của HAP Do

đó, tác giả cần điều chỉnh thuật toán K mean để tích hợp các điều kiện Tác giả sẽ thêm điều kiện ràng buộc về khoảng cách giữa FSO và HAP, điều kiện ràng buộc về băng thông giữa của HAP kết nối đến mỗi nhóm FSO mà HAP đó quản lý

-Để giải quyết nhiệm vụ thứ hai, tác giả sử dụng kết quả của thuật toán trong

đồ án tốt nghiệp [2]

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Hệ thống quang không dây

Truyền thông không dây là công nghệ sử dụng sự lan truyền ánh sáng trong không gian để truyền dữ liệu tham khảo theo luận văn [6] 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

FSO là công nghệ truyền thông có tầm nhìn thẳng (LOS) nên hệ thống thường được cài đặt trên các địa hình cao như nóc các tòa nhà cao tầng

Hình 2.1: Mô hình truyền quang giữa 2 thiết bị FSO

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 búp sóng hẹp

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 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) được tham khảo trong bài báo [7] 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

Hình 2.3: Máy bay không người lái Proteus

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

Hình 2.4: Tốc độ gió theo độ cao

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 2.5: Cấu hình cơ bản của hệ thống mạng trong trường hợp 1 HAP

Hình 2.5 mô tả cấu hình cơ bản của hệ thống truyền thông quang không dây

sử dụng hạ tầng mạng trên cao trong trường hợp sử dụng 1 HAP Trong trường hợp này, các thiết bị FSO dưới mặt đất liên kết với FSO đặt trên HAP để truyền dữ liệu với nhau

Hình 2.6: Cầu hình mạng cơ bản trong trường hợp sử dụng nhiều HAP

Hình 2.6 mô tả cấu hình mạng cơ bản của hệ thống truyền thông quang không dây sử dụng hạ tầng mạng trên cao trong trường hợp sử dụng nhiều HAP Trong trường hợp này, các HAP kết nối với nhau Khi một thiết bị FSO dưới mặt đất muốn truyền dữ liệu đến một thiết bị FSO dưới mặt đất thuộc một cụm khác, thì dữ liệu sẽ được truyền trung gian qua các HAP

2.4 Phân cụm nút mạng bằng thuật toán K-mean

2.4.1 T ng quan v thu t toán K-mean Các khái ni ổ ề ậ – ệm cơ bả n

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

Thuật toán K-mean có các bước chính như sau:

 Chọn ng u nhiên K tâm (centroid) cho K c m (cluster) M i cẫ ụ ỗ ụm được đại

di n b ng các tâm c a cệ ằ ủ ụm

 Tính kho ng cách giả ữa các đối tượng (objects) đến K tâm (thường dùng kho ng cách Euclidean) ả

 Nhóm các đối tượng vào nhóm g n nh t ầ ấ

 Xác định l i tâm m i cho các nhóm ạ ớ

 Thực hi n lệ ại bước 2 cho đến khi không có s ự thay đổi nhóm nào c a các ủ

đối tượng

Hình 2.7: Mô hình thuật toán K-mean

2.4.2 Các điề u ki n ràng bu c khi th c hi n phân c m các thi t b FSO ệ ộ ự ệ ụ ế ị

dướ i m t t b ng thu t toán K-mean ặ đấ ằ ậ

Khi áp dụng mô hình thuật toán K mean vào việc phân cụm các thiết bị FSO dưới mặt đất, tác giả nhận thấy cần mở rộng thuật toán, đưa thêm các điều kiện ràng

-buộc để giải quyết nhiện vụ thứ nhất của bài toán

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 [5], 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 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