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

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 tối ưu mạng truyền thông quang không dây không gian sử dụng hạ tầng mạng cao (High Altitude Platform) Sinh viên thực : Vũ Phạm Minh Hiển CBC17018 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trương Thị Diệu Linh HÀ NỘI 12-2017 Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Thông tin sinh viên Họ tên sinh viên: Vũ Phạm Minh Hiển Điện thoại liên lạc: 0979816380 Email: minhhienpfiev@gmail.com Khóa: CLC2017B Hệ đào tạo: Đại học quy Luận văn thạc sĩ thực tại: Viện Công nghệ thông tin 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 Mục đích nội dung luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu mơ hình mạng truyền thơng quang khơng dây không gian sử dụng hệ thống hạ tầng mạng cao (High Altitude Platform) Xác định vị trí HAP không, thiết kế topo mạng HAP Các nhiệm vụ cụ thể luận văn thạc sĩ:  Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu khái niệm truyền thông quang không dây (FSO), hạ tầng mạng cao (HAP): Cách thức hoạt động, sơ đồ mạng, thiết bị kèm, cách thức vận hành thiết bị…  Nhiệm vụ 2: Vận dụng thuật toán phân cụm K-mean, thuật tốn tìm đường Dijkstra, thuật tốn Heuristic,…để thiết kế topo mạng HAP phân bố vùng bao phủ HAP Lời cam đoan sinh viên: Tôi – Vũ Phạm Minh Hiển - 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, chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 26 tháng 12 năm 2017 Tác giả luận văn Vũ Phạm Minh Hiển Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận văn thạc sĩ cho phép bảo vệ: Hà Nội, ngày 26 tháng 12 năm 2017 Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Trương Thị Diệu Linh Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngày nay, với phát triển cơng nghệ thơng tin nói chung mạng Internet nói riêng, người dùng có yêu cầu cao tốc độ băng thông đường truyền mạng Với lý trên, sử dụng cáp quang để truyền thông trở nên phổ biến Việc sử dụng cáp quang tồn khó khăn việc thiết lập mạng lưới dây cáp (đặc biệt vùng có địa hình phức tạp đồi núi, hải đảo…), tác động người, thiên tai ảnh hưởng đến đường dây cáp Việc phục hồi mạng cho khu vực sau thảm họa thiên nhiên, việc cung cấp dịch vụ mạng đến vùng hẻo lánh, hải đảo trở nên dễ dàng nhiều với việc sử dụng hệ thống mạng quang không dây Free Space Optics kết hợp sử dụng hạ tầng mạng cao (HAP- High Altitude Platform) FSO cơng nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua môi trường không gian Trong năm gần đây, truyền thông quang không dây xem giải pháp hứa hẹn thay cho kết nối vơ tuyến băng rộng nhờ ưu điểm mà có bao gồm: tốc độ cao, chi phí hiệu quả, không 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 việc triển khai hệ thống truyền quang không dây khu vực có địa hình đồi núi vơ khó khăn, hạn chế tầm nhìn cối, chênh lệch độ cao vị trí Do đó, giải pháp đưa sử dụng hạ tầng mạng cao làm trung gian để truyền thông thiết bị FSO mặt đất HAP (Hight 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 Việc thiết kế hệ thống mạng trường hợp khó khăn, với nhiều ràng buộc liên quan tới khoảng cách, băng thông sử dụng thiết bị Mục tiêu nghiên cứu luận văn xác định vị trí đặt HAP thiết kế topo mạng HAP Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 Trong luận văn, tác giả tìm hiểu lý thuyết truyền thông quang không không dây (FSO), hạ tầng mạng cao (HAP), khái niệm bản, sơ đồ hệ thống, thuận lợi thách thức hệ thống Các thuật toán phân cụm, tìm đường, tối ưu hóa đề cập luận văn Tiếp đó, mục tiêu luận văn xác định vị trí đặt HAP cách phân cụm nút mạng mặt đất, sau xây dựng hệ thống liên kết mạng HAP Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 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 suốt năm học vừa qua Tiếp tơi xin gửi lời cảm ơn tới bạn lớp KSCLC-HTTT&TTK57 nói riêng bạn sinh viên trường nói chung đem đến cho tơi mơi trường học thân thiện hịa đồng, giúp đỡ lẫn tiến Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè, người ủng hộ, hỗ trợ tạo điều kiện tốt để hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 26 tháng 12 năm 2017 Vũ Phạm Minh Hiển Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 MỤC LỤC PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CẢM ƠN .5 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT .12 1.1 Đặt vấn đề 12 1.2 Định hướng giải 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Hệ thống quang không dây 15 2.2 Mơ hình hệ thống FSO 16 2.3 Hệ thống hạ tầng mạng cao HAP 17 2.4 Phân cụm nút mạng thuật toán K-mean 20 2.4.1 Tổng quan thuật toán K-mean – Các khái niệm 20 2.4.2 Các điều kiện ràng buộc thực phân cụm thiết bị FSO mặt đất thuật toán K-mean 21 2.5 Thiết kế topology mạng HAP thuật toán Dijkstra Heuristic 22 2.5.1 Tổng quan thuật toán Dijkstra giải thuật Heuristic .22 2.5.2 Các điều kiện ràng buộc xây dựng mơ hình mạng HAP sử dụng thuật tốn Dijkstra giải thuật Heuristic 22 2.5.3 Tỉ lệ lỗi bit – BER 22 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TOPO MẠNG FSO SỬ DỤNG HAP 25 3.1 Ý tưởng chung .25 3.2 Phân chia thiết bị FSO HAP 26 3.3 Thiết kế topo mạng HAP 28 CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT THUẬT TOÁN, KẾT QUẢ THỰC HIỆN .30 4.1 Mơi trường cài đặt thuật tốn 30 4.2 Kết thử nghiệm .30 4.2.1 Kết phân chia thiết bị FSO HAP 30 4.2.2 Kết chương trình thiết kế topo mạng .33 4.3 Đánh giá kết thu 40 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 41 5.1 Kết đạt 41 Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 5.2 Những điểm hạn chế .41 5.3 Hướng phát triển 41 5.4 Kết luận chung .42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 : Mơ hình mạng multi-HAP kết hợp FSO 12 Hình 2.1: Mơ hình truyền quang thiết bị FSO .15 Hình 2.2: Mơ hình hệ thống truyền thơng quang khơng dây 16 Hình 2.3: Máy bay khơng người lái Proteus .18 Hình 2.4: Tốc độ gió theo độ cao 18 Hình 2.5: Cấu hình hệ thống mạng trường hợp HAP 19 Hình 2.6: Cầu hình mạng trường hợp sử dụng nhiều HAP 20 Hình 2.7: Mơ hình thuật tốn 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 thiết bị FSO mặt đất 27 Hình 3.3: Sơ đồ khối chương trình thiết kế topo mạng .29 Hình 4.1: Kết phân cụm thiết bị FSO mặt đất với HAP 31 Hình 4.2: Tọa độ tâm HAP 31 Hình 4.3: Kết phân cụm thiết bị FSO mặt đất với HAP 32 Hình 4.4: Tọa độ tâm HAP 32 Hình 4.5: Kết phân cụm thiết bị FSO mặt đất với 10 HAP 33 Hình 4.6: Tọa độ tâm 10 HAP 33 Hình 4.7: Kết thiết kế topo mạng cho HAP 34 Hình 4.8: Kết HAP 35 Hình 4.9: Kết thiết kế topo mạng cho HAP 36 Hình 4.10: Kết HAP 37 Hình 4.11: Kết thiết kế topo mạng cho 10 HAP 38 Hình 4.12: Kết 10 HAP 39 Hình 4.13: Thống kê số lượng HAP số liên kết FSO……………………………39 Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ Từ viết tắt, thuật ngữ FSO Free Space Optics Truyền thông quang không dây HAP High Altitude Platform Hạ tầng mạng cao LOS Line Of Sight QoS Quality of Service Tầm nhìn thẳng, tín hiệu ánh sáng truyền hai thiết bị đặt thẳng Chất lượng dịch vụ đường truyền LAN MIB Local Area Network Management Information Base SONAbeam Terminal Controller STC Tên đầy đủ BER Bir Error Rate ITU-R Rx Power International Telecommunication Union Radiocommunication Sector Receive Power mrad dB Mili-radian Decibel dBm Decibel-miliwatt Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 Ý nghĩa Mạng nội Cơ sở liệu thông tin quản lý Phần mềm theo dõi cấu hình thiết bị SONAbeam hãng fSONA cung cấp Tỉ lệ lỗi bit Liên minh Viễn thông Quốc tế Tập trung vào việc xác định tần số radio toàn cầu đáp ứng lợi ích nhóm cạnh tranh Cơng suất tín hiệu đo nơi đặt thiết bị thu Đơn vị đo độ lớn góc Là đơn vị so sánh tương đối giữ hai giá trị Là đơn vị so sánh tuyệt 1mW MỞ ĐẦU Với gia tăng nhu cầu sử dụng Internet người sử dụng, điều địi hỏi yêu cầu băng thông, tốc độ đường truyền chất lượng dịch vụ phải đảm bảo, ưu điểm băng thông, truyền thông cáp quang trở nên phổ biến Tuy nhiên, khó khăn việc triển khai hệ thống dây cáp, nguy hiểm trình triển khai người thực hiện, quốc gia thường xuyên xảy thiên tai động đất, lũ lụt Hàn Quốc, Nhật Bản, Mỹ, Việt Nam,…việc triển khai khắc phục sau thiên tai vơ khó khăn phức tạp Ngồi khó khăn trên, có lý ngẫu nhiên khiến dây cáp bị đứt, ngồi tầm kiểm sốt Truyền thơng quang không dây (FSO-Free Space Optical) hệ thống bao gồm hai thiết bị đặt vị trí nhìn thấy theo đường thẳng, khoảng cách hai thiết bị lên đến hàng trăm hay hàng nghìn mét, bước mới, nhằm cải thiện, giải nhược điểm truyền thông cáp quang, đảm bảo yêu cầu chất lượng đường truyền Việc triển khai hệ thống FSO tương đối đơn giản nhanh chóng thiết bị quang không dây nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển Ưu điểm trội truyền quang không dây truyền cáp quang thiết bị quang khơng dây kết nối qua mơi trường khơng khí Hạ tầng mạng cao (HAP-High Altitude Platform) tập hợp vật thể bay không, thường nằm độ cao 20km, gắn thiết bị truyền thông không dây Các thiết bị liên kết với tạo hệ thông mạng, bao phủ khu vực rộng lớn Các HAP hoạt động khoảng thời gian trung bình khoảng Các vật thể bay máy bay, khinh khí cầu,… Truyền thơng quang khơng 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 tạo mơ hình truyền thơng quang Mơ hình triển khai nhiều công ty lớn giới: SpaceX, Google, Facebook, Truyền thông quang không dây sử dụng hạ tầng mạng cao gặp nhiều khó khăn việc triển khai Ví dụ, Google sử dụng khinh khí cầu có lắp đặt thiết bị FSO, khinh khí cầu bay khoảng thời gian giờ, số bay thấp, cần liên tục hạ cánh để nạp lượng Việc phát triển giải pháp sử dụng pin mặt trời giai đoạn nghiên cứu, chưa áp dụng vào thực tiễn Tuy nhiên, việc sử dụng kết hợp thiết bị truyền quang không dây hạ tầng mạng cao đem đến nhiều ưu điểm luận văn tập trung vào giải vấn đề liên quan đến thiết kế topo mạng cho việc truyền thông thiết bị FSO mặt đất sử dụng HAP Luận văn có nhiệm vụ tổng quan sau: Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 10 Hình 3.3: Sơ đồ khối chương trình thiết kế topo mạng Đầu vào chương trình bao gồm: Hàm Dijkstra với ràng buộc tổng BER liên kết từ đầu đến cuối nhỏ ngưỡng  Hàm tính BER cho liên kết nút mạng mặt đất  Hàm liệu đầu  Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 29 CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT THUẬT TỐN, KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 Mơi trường cài đặt thuật tốn Chương luận văn trình bày kết thuật toán với liệu đầu vào Từ đó, đến nhận xét, đánh giá cho giải pháp thiết kế mạng FSO sử dụng HAP Để phục vụ cho việc xây dựng thuật toán, tác giả sử dụng công cụ:  Linux: hệ điều hành máy tính Linux hệ điều hành phổ biến cộng đồng lập trình, với nhiều công cụ, thư viện hỗ trợ cho việc lập trình, thiết kế chương trình Đây hệ điều hành mà tác giả sử dụng q trình nghiên cứu  Matlab: phần mềm cung cấp môi trường tính tốn số lập trình, cơng ty MathWorks thiết kế Matlab phân mềm mạnh xử lý phép tính, số học, ma trận với nhiều thư viện, công cụ hỗ trợ Tác giả sử dụng Matlab nhiệm vụ thứ hai  Python: ngơn ngữ lập trình Python ngơn ngữ lập trình phổ biến ngày nay, cực mạnh việc xử lý liệu, liệu lớn Python tích hợp sẵn hệ điều hành Linux, với nhiều thư viện hỗ trợ Tác giả sử dụng Python để thực nhiệm vụ thứ  Git: hệ thống quản lý mã nguồn mở Git phần mềm phổ biến nay, cung cấp không gian làm việc nhóm, thực dự án lớn Cách tổ chức, xếp khơng gian lập trình khoa học cho nhà phát triển lý nhiều tổ chức, doanh nghiệp tin dùng  Github: dịch vụ cung cấp kho lưu trữ mã nguồn mở Github hiểu đơn giản nơi lưu trữ source code mạng cho lập trình viên, phổ biến giới Với đầu vào liệu tọa độ thiết bị FSO mặt đất sinh từ hàm sinh liệu mô tả sau:   4.2 Tổng số thiết bị FSO mặt đất: 613 thiết bị FSO Tọa độ thiết bị FSO mặt đất sinh ngẫu nhiên từ hàm sinh liệu Kết thử nghiệm 4.2.1 Kết phân chia thiết bị FSO HAP Kết sau thực chạy chương trình phân cụm: Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 30 Hình 4.1: Kết phân cụm thiết bị FSO mặt đất với HAP Hình 4.2: Tọa độ tâm HAP Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 31 Hình 4.3: Kết phân cụm thiết bị FSO mặt đất với HAP Hình 4.4: Tọa độ tâm HAP Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 32 Hình 4.5: Kết phân cụm thiết bị FSO mặt đất với 10 HAP Hình 4.6: Tọa độ tâm 10 HAP Sau chạy chương trình thuật tốn phân chia thiết bị FSO mặt đất HAP không, kết đầu toán là: tọa độ điểm đặt HAP, số lượng thiết bị FSO quản lý HAP 4.2.2 Kết chương trình thiết kế topo mạng Sau thực phân cụm, kết thu tọa độ điểm đặt HAP, tác giả thiết kế topo mạng cho HAP Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 33 Đầu vào liệu chương trình mơ tả sau:      Số lượng HAP: M = 8, 9, 10 Tọa độ HAP Băng thông cho yêu cầu kết nối: bw = 100-300 Băng thông tối đa: 1000 Ngưỡng BER: δ = 0.001 Với đặc điểm đầu vào trên, tác giả thực chạy chương trình thiết kế topo mạng có kết sau: Hình 4.7: Kết thiết kế topo mạng cho HAP Hình 4.7 mơ topo mạng cho hệ thơng HAP, nút trịn hình đại diện cho tọa độ HAP, liên kết hình liên kết FSO HAP Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 34 Hình 4.8: Kết HAP Trong trường hợp sử dụng HAP, cần sử dụng 13 kết nối FSO đặt HAP Trong Hình 4.8, thấy thời gian chạy chương trình nhanh (