Thiết 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 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 Nguyễn Mạnh Tiến 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 𝐵𝐸𝑅𝑒2𝑒 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 không 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 3.5 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN BỔ SUNG CÁC HAP Trong thực giải thuật, vấn đề quan trọng cần xử lý: Trong trường hợp khơng có đường (chính dự phịng) hai điểm nguồn đích, làm để xây dựng hệ thống mạng để phù hợp yêu cầu toán Để giải vấn đề trên, tác giả sử dụng phương pháp hình học Euclid: a Xây dựng đường xuất phát từ điểm nguồn, từ xác định HAPsrc có khoảng cách Euclid gần điểm đích b Xây dựng đường xuất phát từ điểm đích, từ xác định HAPdest có khoảng cách Euclid gần điểm nguồn c Trên đường từ HAPsrc đến HAPdest tác giả bổ sung HAP điểm có khoảng cách liên tiếp d~20km (là khoảng cách tối đa giả định thiết bị HAP phát sóng) d Việc bổ sung HAP trung gian các cặp nguồn đích tái sử dụng HAP bổ sung trước đó, để giảm thiểu số lượng HAP cần lắp đặt Với cặp nguồn – đích khơng tìm đường chúng, ta cần phải thực thuật toán bổ sung HAP với tầm phát tối đa 20 km (loại HAP sử dụng liệu đầu vào tốn) Trên sở ta xác định hai HAP trung gian gần điểm nguồn đích nhất, áp dụng giải thuật Dijkstra có chỉnh sửa Đưa giải thuật Dijkstra có bổ sung việc tính khoảng cách Euclid node đích, tác giả xác định hai HAP sau: Sử dụng giải thuật Dijkstra có chỉnh sửa cho node nguồn, ta xác định 𝐻𝐴𝑃𝑠𝑟𝑐 có khoảng cách gần tới điểm đích Sử dụng Dijkstra cho node đích, ta xác định 𝐻𝐴𝑃𝑑𝑒𝑠𝑡 có khoảng cách gần tới điểm nguồn Vấn đề lại xác định tọa độ HAP bổ sung HAP hai HAP: 𝐻𝐴𝑃𝑠𝑟𝑐 𝐻𝐴𝑃𝑑𝑒𝑠𝑡 Thuật toán xây dựng sau: 37 Dùng Dijkstra có chỉnh sửa với node src: xd HAPsrc Dùng Dijkstra có chỉnh sửa với node dest xác định HAPdest Tạo HAP trung gian Hình 16: Thuật tốn bổ sung HAP trung gian 3.6 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐI DỰ PHỊNG CHO CÁC CẶP NGUỒN ĐÍCH CHỈ CĨ MỘT ĐƯỜNG ĐI CHÍNH Việc thực thuật tốn xây dựng đường dự phịng cho cặp nguồn đích có đường thực tương tự việc bổ sung HAP trung gian việc xây dựng đường cho điểm khơng có đường (Mục 3.5) Tuy nhiên thuật toán cần thêm ràng buộc khác, đường khơng sử dụng HAP, Ground node đường 38 CHƯƠNG IV: CÀI ĐẶT THUẬT TỐN VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶT Để cài đặt triển khai thuật toán, tác giả sử dụng mơi trường sau: Ngơn ngữ lập trình: Java, ngôn ngữ phổ biến giới, áp dụng nhiều lĩnh vực tảng core hệ thống ngân hàng, viễn thông, web site, hệ thống thiết bị viễn thông, điện thoại di động, Hệ điều hành: Có thể chạy hệ điều hành Linux Windows Cơng cụ lập trình: Tác giả sử dụng IDE Netbean với jdk Matlab: Là phần mềm cung cấp cho việc tính tốn số công ty MathWorks thiết kế, Matlab phần mềm mạnh xử lý phép tính, ma trận với nhiều thư viện, cơng cụ hỗ trợ Có thể hiển thị kết tính tốn cách sinh động, trực quan 4.2 ĐẦU VÀO DỮ LIỆU: Tác giả cung cấp hai hình thức đầu vào liệu: - Tập thiết bị FSO mặt đất có số lượng, tọa độ, liên kết sinh ngẫu nhiên cho toán tổng quát - Tập thiết bị FSO có số lượng, tọa độ liên kết khai báo sẵn Các thông số liệu đầu vào: - Số thiết bị FSO - NODE_MAX - Giới hạn tọa độ vị trí thiết bị FSO: X_MAX, Y_MAX, Z_MAX - Ma trận thông lượng tập cặp nguồn đích: START_NODE_ARRAY, END_NODE_ARRAY - Băng thơng tối đa HAP - HAP_BANDWIDTH_MAX - Băng thông tối đa liên kết HAP-FSO: LINK_BANDWIDTH_MAX - Số tối đa thiết bị cụm: CLUSTER_INDIVIDUAL_MAX - Bán kính tối đa cụm: CLUSTER_RADIUS_MAX - Tỷ lệ lỗi bit liên kết: LINK_BER - Tỷ lệ lỗi bit cho phép toàn đường đi: SUM_BER 39 - Số đoạn liên kết tối đa đường đi: HOP_MAX - Độ cao tối đa HAP: HAP_HEIGH - Số lượng _NODE_QUANTITY liên kết mặt đất cho sẵn: LINK_GROUND Một số ràng buộc đặc biệt thử nghiệm áp dụng toán: - 4.3 Tạo nhóm thiết bị FSO theo vùng riêng biệt, có khoảng cách > 50 km, khoảng cách bắt buộc phải bổ sung HAP Giữa thiết bị FSO mặt đất cụm khác có liên kết mạng có dây (hoặc khơng dây) KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 4.3.1 Kết phân cụm node - Sử dụng kiện đầu vào 300 thiết bị FSO sinh ngẫu nhiên Bài toán sử dụng hai liệu: - Các cặp nguồn đích khơng có liên kết sang thiết bị FSO cụm kề Các cặp nguồn đích có liên kết sang thiết bị FSO cụm bên cạnh - Ràng buộc theo tiêu chí sau: + Số lượng thiết bị cụm không vượt MAX = 100 (Do băng thông tối đa HAP truyền xuống cụm giả định 1000 Mbps, băng thông kết nối HAP-FSO giả định 10 Mbps) + Bán kinh tối đa cụm giả định 30 km (Sử dụng trường hợp độ mở thiết bị HAP 25o độ cao HAP 20 km) 40 Hình 17: Kết phân cụm với Cluster 300 thiết bị FSO 4.3.2 Kết phân cụm node có phân vùng Áp dụng tốn phân cụm có bổ sung điều kiện: cụm cách lớn 30 km (là khoảng cách bắt buộc phải bổ sung thêm thiết bị HAP để xây dựng đường đi) Kết phân cụm hình dưới, ta thấy có hai vùng phân biệt, để có đường từ cụm bên trái sang cụm bên phải hình vẽ, bắt buộc phải bổ sung HAP trung gian Hình 18: Kết phân cụm với Cluster hai vùng độc lập 41 Trong tốn, thơng qua sử dụng thuật tốn KMean có chỉnh sửa, ta thu tọa độ HAP cần bổ sung là: Cluster HAP 0: 4978.36,72516.32,20000.0 Cluster HAP 1: 85698.33333333333,73446.11904761905,20000.0 Cluster HAP 2: 85152.98484848485,21815.621212121212,20000.0 Cluster HAP 3: 4984.906666666667,23463.893333333333,20000.0 4.3.3 Thử nghiệm với cụm FSO, có đường liên kết cụm khác - Tác giả xây dựng mơ hình cụm độc lập với nhau, nhiên có kết nối mặt đất cụm cạnh - Với mơ hình này, việc bổ sung HAP cao với chi phí tốn giảm thiểu tối đa, việc lắp đặt thiết bị mặt đất với địa hình cho phép dễ dàng khơng phát sinh chi phí thiết bị bay cao - Tuy nhiên, với địa hình khơng phẳng, bị che khuất phải sử dụng thêm HAP khơng gian - Như mơ hình 19, kết phân cụm có kết thiết bị FSO gom thành cụm, liên kết nội cụm mô tả màu xanh da trời, xanh cây, vàng đen Còn màu đỏ biểu thị liên kết chéo node thuộc hai cụm kề Hình 19: Mơ hình giả lập phân cụm có bổ sung liên kết cụm kề 42 4.3.4 Kết sử dụng giải thuật đề xuất, bổ sung đường Hình 20 mơ tả kết toán bổ sung HAP để xây dựng đường điểm đầu điểm cuối Các liên kết màu xanh da trời, xanh cây, vàng đen mô tả liên kết nội cụm, liên kết màu đỏ kích thước lớn mơ tả kết nối HAP không gian Đường điểm đầu gồm loại: - Kết nối nội cụm Kết nối từ FSO mặt đất tới HAP tương ứng cụm khơng gian: Liên kết có màu tương ứng màu cụm Kết nối HAP với Hình 20: Sử dụng thuật tốn xây dựng đường đi, xác định đường cho cặp nguồn đích 4.3.5 Kết sử dụng giải thuật đề xuất, bổ sung đường thứ hai Sau bổ sung HAP để tìm đường thứ nhất, tác giả tiến hành bổ sung đường thứ hai không trùng cắt đường thứ theo thuật toán nêu luận văn 43 Hình 21: Đường dự phịng cặp nguồn đích 0-155 Trong trường hợp từ điểm đầu điểm cuối không xác định HAP phủ cụm tương ứng, phải thực thao tác bổ sung HAP để xây dựng đường Với trường hợp thiết bị FSO nguồn FSO đích liên kết tới cụm lân cận, sử dụng HAP cụm lân cận làm dự phịng Kết thuật tốn cho hai đường sau (Node -> Node 155): Node 0->Cluster HAP 0->Node 44->Route 0_HAP Added 0->Route 0_HAP Added 1->Route 0_HAP Added 2->Cluster HAP 1->Node 155 Node 0->Route 0_HAP_2 Added 0->Route 0_HAP_2 Added 1->Route 0_HAP_2 Added 2->Route 0_HAP_2 Added 3->Node 155 Trong mơ hình trên, tốn xác định cần phải bổ sung 11 HAP, bao gồm HAP tương ứng cụm HAP đường tìm được: Bốn HAP bao phủ cụm: Cluster HAP 0: 4978.36,72516.32,20000.0,0 Cluster HAP 1: 85698.33333333333,73446.11904761905,20000.0,1 Cluster HAP 2: 85152.98484848485,21815.621212121212,20000.0,2 Cluster HAP 3: 4984.906666666667,23463.893333333333,20000.0,3 HAP cần bổ sung để xây dựng đường đi: Route 0_HAP Added 0: 30219.666666666668,81509.66666666667,20000.0 Route 0_HAP Added 1: 50574.333333333336,71313.33333333333,20000.0 44 Route 0_HAP Added 2: 70929.0,61117.0,20000.0 Route 0_HAP_2 Added 0: 22648.25,68257.25,20000.0 Route 0_HAP_2 Added 1: 39805.5,78829.5,20000.0 Route 0_HAP_2 Added 2: 56962.75,89401.75,20000.0 Route 0_HAP_2 Added 3: 74120.0,99974.0,20000.0 4.3.6 Kết áp dụng cho nhiều cặp nguồn đích, sử dụng liệu khơng có liên kết mặt đất Khi thực thuật toán áp dụng cho nhiều cặp nguồn đích, ưu điểm giải thuật chạy cho cặp nguồn – đích sau, ta ln sử dụng lại HAP bổ sung trước đó, nên số HAP cần bổ sung ngày giảm Cụ thể kết bên dưới, tăng số lượng cặp nguồn đích lên 2, cần tăng số lượng HAP lên 16 HAP (cặp nguồn đích 11 HAP) Hình 22: Danh sách HAP thực hai lần cho hai cặp nguồn – đích Khi đó, ta tìm đường bên Sau bổ sung HAP, ta thu mơ hình mạng hình 23: 45 Hình 23: Mơ hình mạng cho hai cặp nguồn đích Nhìn hình 23 nhận thấy, đường cặp nguồn đích 5-200 tái sử dụng lại đường cặp nguồn đích thứ 0-155, tiết kiệm số HAP cần bổ sung Tăng thêm thành cặp nguồn đích ta có mơ hình mạng hình 24: Hình 24: Mơ hình mạng cho ba cặp nguồn đích Trong trường hợp node nguồn đích có liên kết mặt đất với cụm bên cạnh, hồn tồn xác định đường dự phòng theo cụm bên cạnh, ta giảm bớt số HAP cần bổ sung 46 Khi tăng số cặp nguồn đích lên số HAP tương ứng đạt bảng sau STT Số cặp nguồn đích ma trận thơng lượng 1 2 3 20 25 30 35 Số HAP cần bổ sung 11 16 20 72 83 96 117 Thời gian xử lý (ms) 1050 1513 2427 13039 15311 19509 24610 Bảng 1: Số HAP cần bổ sung theo số cặp nguồn đích với liệu không sử dụng liên kết mặt đất Số lượng HAP cần bổ sung theo số cặp nguồn - đích 140 117 120 96 Số HAP 100 83 72 80 60 40 1620 11 20 0 10 15 20 25 30 35 40 Số cặp nguồn - đích Hình 25: Đồ thị đánh giá số lượng HAP cần bổ sung theo số lượng cặp FSO nguồn – đích Nhìn bảng liệu đồ thị ta thấy với số lượng cặp nguồn đích tăng lên, tỷ lệ số HAP cần bổ sung số cặp nguồn đích ngày giảm 4.3.7 Kết sử dụng liệu bổ sung liên kết mặt đất FSO nguồn cụm lân cận: Như ta thấy kết minh họa, với việc sử dụng liên kết mặt đất, số lượng HAP cần thiết (kể HAP phân cụm) khơng cần thiết, làm giảm thiểu số lượng thiết bị cần lắp đặt 47 Hình 26: Đường hai cặp nguồn – đích trường hợp sử dụng liên kết mặt đất hai cụm kề Số cặp nguồn đích ma trận thơng lượng 20 25 30 35 STT Số HAP cần bổ sung 11 16 19 28 33 37 39 Thời gian xử lý (ms) 825 1288 2258 13225 14871 21358 29476 Bảng 2: Số HAP cần bổ sung theo số cặp nguồn đích với liệu bổ sung liên kết mặt đất Số lượng HAP cần bổ sung theo số cặp nguồn - đích 45 37 40 33 35 28 30 Số HAP 39 25 19 16 20 11 15 10 0 10 15 20 25 30 35 40 Số cặp nguồn - đích 48 Hình 27: Đồ thị đánh giá số lượng HAP cần bổ sung theo số lượng cặp FSO nguồn – đích trường hợp bổ sung liên kết mặt đất Như kết bảng, ta thấy đạt hiệu tối ưu số lượng thiết bị HAP cần lắp đặt, cụm kề nhau, điều kiện cho phép, ta thiết kế bổ sung số đường kết nối liệu (có dây khơng dây) CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Trong trình nghiên cứu hệ thống truyền thông không 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 thông quang không 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 5.2 CÁC ĐIỂM HẠN CHẾ Do điều kiện triển khai thực tế khó khăn thời gian hạn hẹp, nên luận văn số hạn chế như: - Không thực việc thử nghiệm môi trường thực tế vấn đề chi phí thiết bị có hạn, việc triển khai không gian không thực tiễn với điều kiện - Việc bổ sung HAP khiếm khuyết chưa ràng buộc tốt vị trí HAP thêm mới, dẫn đến khả HAP có tọa độ gần (trên đường 49 đường dự phịng), dẫn đến việc phân bố HAP có phần khơng hiệu cao - Bài tốn luận văn đưa dựa giả thiết thiết bị HAP có vị trí cố định (hoặc khơng thay đổi nhiều), chưa tính đến việc di động theo quỹ đạo HAP - Bài toán đặt với điều kiện thông lượng đường nằm giới hạn thiết bị 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Với đặc điểm hệ thống truyền thông quang khơng dây, qua q trình tìm hiểu, đánh giá, tác giả nhận thấy có số vấn đề phát triển tiếp, để tiến gần việc triển khai thiết bị HAP/FSO cách tối ưu: - Nghiên cứu tốn thiết kế mạng có dự phịng, tính đến việc thiết bị HAP chuyển động theo quỹ đạo cho trước, điều dẫn đến phạm vi phủ HAP thay đổi, topo mạng cần nâng cấp, chỉnh sửa - Phát triển thuật toán luận văn, với ràng buộc khoảng cách tối đa tối thiểu theo chiều khơng gian Euclid HAP, để tối ưu mặt số lượng HAP bổ sung, giảm thiểu chi phí lắp đặt trì, giảm bớt khả hai HAP đường đường dự phịng gián đoạn (do khoảng cách vật lý gần nhau, nên dễ bị ảnh hưởng điều kiện thời tiết) - Bổ sung điều kiện thông lượng qua thiết bị FSO HAP khác nhau, từ dẫn đến việc truyền liệu qua đồng thời nhiều đường lúc, theo mơ hình phân tải dự phịng 5.4 KẾT LUẬN CHUNG Mặc dù truyền thông quan không dây áp dụng nhiều nơi giới, nhiên việc triển khai nhiều vấn đề cần giải quyết, đặc biệt Việt Nam, với đặc điểm địa hình, thời tiết, khí hậu đa dạng Việc triển khai đường dự phòng cho hệ thống mạng quang không dây phát sinh nhiều vấn đề cần giải quyết, đặc biệt việc tối ưu topo mạng để giảm chi phí lắp đặt, triển khai mà đảm bảo độ an toàn, tỷ lệ lỗi bit BER Việc triển khai thêm điều kiện bổ sung, kết nối mặt đất, làm hiệu giải thuật tăng lên nhiều 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 50 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ha Yoon Song, “A Method of Mobile Base Station Placement for High Altitude Platform Based Network with Geographical Clustering of Mobile Ground Nodes”, 2008 International Multiconference on Computer Science and Information Technology, Wisia, pp 869-876, Feb 2009 [2] ITU-D Question 9/2, “High Altitude Platform Stations: an opportunity to close the information gap”, https://www.itu.int/pub/D-STG-SG02.09.1-2002, 2002 [3] Linh D Truong, Sy T Luong, Long P Dinh, Hien T T Pham, and Ngoc T Dang” Design and Optimization of FSO Mesh Networks over Atmospheric Turbulence and Misalignment Fading Channels” [4] Manish Sharma, D Chadha, and Vinod Chandra: “High-Altitude Platform for Free-Space Optical Communication: Performance Evaluation and Reliability Analysis” [5] Olivier Bouchet, Christian Boisrobert, Frédérique de Fornel, Pierre-Noël Favennec, Hervé Sizun, “Free-Space Optics Propagation and Communication”, 2006 [6] Phan Thanh Tao, “Giáo trình Matlab”, Đại học Đà Nẵng, 2004 [7] Suurballe, J W (1974), "Disjoint paths in a network", Networks, (2): 125– 145, doi:10.1002/net.3230040204 [8] Vũ Phạm Minh Hiển, “Thiết kế tối ưu mạng truyền thông quang không dây không gian sử dụng hạ tầng mạng cao (High Altitude Platform)”, Luận văn thạc sĩ Công nghệ thông tin, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2017 51 ... nhanh linh hoạt Truyền thông quang không dây kết hợp hạ tầng mạng cao việc kết hợp thiết bị truyền thông quang không dây FSO đặt thiết bị bay không, kết nối với thiết bị truyền thông quang mặt đất... 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... liên kết mặt đất Như kết bảng, ta thấy đạt hiệu tối ưu số lượng thiết bị HAP cần lắp đặt, cụm kề nhau, điều kiện cho phép, ta thiết kế bổ sung số đường kết nối liệu (có dây không dây) CHƯƠNG V: KẾT