Thiết kế mạng quang không dây tầm cao

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT

Đặt vấn đề

Ngày nay, nhiều quốc gia có hạ tầng công nghệ thông tin phát triển như Mỹ, Anh, Nhật Bản và Canada đã thử nghiệm và lắp đặt hệ thống truyền quang không dây cho các tập đoàn lớn, mang lại hiệu quả cao Tại Việt Nam, việc sử dụng công nghệ truyền thông quang không dây để truyền dữ liệu vẫn còn mới mẻ do chi phí thiết bị tương đối cao Tuy nhiên, với những ưu điểm nổi bật, hệ thống này dự kiến sẽ trở nên phổ biến trong thời gian tới.

Truyền quang không dây (FSO) là hệ thống chuyển đổi dữ liệu từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang, sử dụng sóng ánh sáng để truyền dữ liệu qua không khí Việc lắp đặt hệ thống FSO rất dễ dàng và nhanh chóng, không bị ảnh hưởng bởi sự cố đứt cáp Nhờ những ưu điểm này, hệ thống mạng quang không dây có khả năng phục hồi kết nối mạng cho các khu vực bị thiên tai và triển khai mạng cho những vùng xa xôi, địa hình hiểm trở.

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả nhận thấy rằng việc triển khai hệ thống truyền thông quang không dây tại các thành phố hoặc đảo đòi hỏi sử dụng nhiều thiết bị truyền quang lắp đặt ở độ cao lớn (>18km) Giải pháp đề xuất là sử dụng thiết bị truyền thông quang không dây FSO lắp trên các HAP, như được minh họa trong Hình 1.1 Để bao phủ một khu vực rộng lớn, cần nhiều thiết bị FSO và HAP; tuy nhiên, chi phí của chúng khá cao, khiến việc lắp đặt số lượng lớn trở nên khó khăn Đồng thời, mỗi thiết bị FSO chỉ có khả năng bao phủ một diện tích nhất định, do đó không thể lắp đặt quá ít thiết bị Vì vậy, cần xây dựng mô hình để xác định vị trí lắp đặt các HAP và mô hình truyền thông giữa chúng.

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

Bài toán đặt ra là xác định vị trí các HAP (trạm trên không) để kết nối các điểm thu thập dữ liệu dưới mặt đất, sử dụng thiết bị quang không dây FSO Các thiết bị này có băng thông hạn chế và không thể kết nối trực tiếp do khoảng cách xa HAP sẽ đóng vai trò là điểm kết nối trung gian, giúp các thiết bị FSO giao tiếp với nhau Cần đảm bảo rằng mỗi thiết bị FSO đều có thể kết nối đến một HAP và đáp ứng nhu cầu truyền tin giữa chúng Trong một số trường hợp, tín hiệu giữa các thiết bị FSO và HAP có thể bị che khuất bởi mây hoặc các yếu tố khác, do đó, cần xây dựng một đường truyền dự phòng để đảm bảo liên lạc trong những tình huống này.

Bài toán được phát biểu cụ thể như sau:

 Cho trước một số vị trí có thể đặt thiết bị FSO dưới mặt đất.

 Cho trước băng thông tối đa của mỗi thiết bị FSO.

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

 Cho trước ma trận yêu cầu kết nối giữa các thiết bị FSO dưới mặt đất dưới dạng ba tham số: điểm đầu, điểm cuối, băng thông yêu cầu.

 Cho trước băng thông tối đa giữa các HAP

Yêu cầu đặt ra là:

Chia các thiết bị FSO mặt đất cho các HAP phụ trách nhằm đáp ứng yêu cầu về băng thông và độ phủ của từng HAP Qua đó, xác định vị trí lắp đặt các HAP một cách hợp lý.

Thiết kế mô hình topo mạng cho các HAP cần dựa trên vị trí điểm đặt đã xác định, nhằm đảm bảo đáp ứng yêu cầu băng thông giữa các HAP và duy trì ngưỡng BER đầu cuối tối ưu.

Để đảm bảo tính liên tục cho thiết bị FSO, cần tìm kiếm các thiết bị HAP phù hợp nhằm tạo ra đường truyền dự phòng khi đường truyền chính bị che khuất.

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

Nhiệm vụ thiết kế thuật toán phân cụm các nút mạng dưới mặt đất nhằm xác định vị trí lắp đặt HAP với một số ràng buộc quan trọng Cụ thể, số lượng thiết bị FSO trong mỗi cụm không được vượt quá băng thông tối đa của FSO trên HAP, giới hạn ở mức 100 Lưu ý rằng bài toán này chưa xem xét đến đường truyền dự phòng cho các thiết bị FSO dưới mặt đất.

Nhiệm vụ này sẽ không được thực hiện trong ĐATN của tác giả mà sẽ sử dụng lại kết quả của luận văn [1]

Nhiệm vụ thiết kế topo cho mạng quang không dây FSO sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng lại kết quả từ ĐATN trước đó của tác giả, thay vì thực hiện lại trong dự án này.

Trong nhiệm vụ thứ ba, tác giả sẽ phát triển một thuật toán để tạo ra các đường truyền dự phòng cho các thiết bị FSO dưới mặt đất.

Định hướng giải quyết

Bài toán phức tạp này yêu cầu nghiên cứu các mô hình phân cụm dữ liệu và thiết kế mạng không dây, cũng như tính toán BER cho các liên kết quang không dây Tác giả áp dụng thuật toán K-mean để phân cụm các thiết bị FSO với các HAP, nhưng cần điều chỉnh thuật toán này để tích hợp các ràng buộc về khoảng cách tối đa giữa FSO và HAP, cũng như băng thông kết nối Để hoàn thành nhiệm vụ thứ hai, tác giả dựa vào kết quả từ đồ án tốt nghiệp, và cho nhiệm vụ thứ ba, tác giả xem xét các điều kiện ràng buộc về khoảng cách, độ che phủ đám mây và băng thông giữa HAP và các nhóm FSO mà HAP quản lý.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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 vào cuối thế kỷ 19 Trong thí nghiệm FSO của mình, Bell đã chuyển đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu điện thoại và truyền tải chúng qua không gian tự do dọc theo một luồng sáng, với khoảng cách lên tới 183m Thiết bị thí nghiệm của ông đã đánh dấu bước tiến quan trọng trong lĩnh vực truyền thông quang học.

Bell coi trọng công nghệ quang "photophone" hơn cả điện thoại, vì phát minh này không cần dây dẫn để truyền tín hiệu.

FSO (Free Space Optics) là công nghệ truyền dữ liệu sử dụng ánh sáng lan truyền trong không gian, hoạt động theo nguyên tắc tầm nhìn thẳng (Line Of Sight - LOS) Thay vì truyền qua sợi cáp quang, ánh sáng được truyền trực tiếp qua không khí, cho phép hệ thống dễ dàng lắp đặt trên các địa hình cao như nóc tòa nhà Việc cài đặt và bảo trì hệ thống FSO diễn ra nhanh chóng và thuận tiện, đồng thời không cần đăng ký cấp phép tần số như các hệ thống truyền thông không dây khác, vì tín hiệu được phát ở tần số ánh sáng thông thường Hệ thống FSO có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ lên tới khoảng 2.5 Gbps.

Công nghệ truyền dữ liệu FSO (Free Space Optics) hoạt động đơn giản với hai thiết bị chính: một thiết bị phát tín hiệu quang và một thiết bị nhận tín hiệu Mỗi thiết bị sử dụng nguồn phát ánh sáng, thường là laser, kết hợp với một thấu kính để thu nhận tín hiệu Kênh truyền tín hiệu diễn ra qua môi trường không khí bên ngoài, với chùm sáng phát ra có hình dạng phân kỳ, dạng hình nón, và góc mở hẹp khoảng vài mrad.

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.

 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

 Thông lượng truyền được trên thiết bị có tốc độ gần như cáp quang

 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

 FSO là một hệ thống có thể thu hồi tài sản khi không sử dụng nữa

 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.

Mô hình hệ thống FSO

Hệ thống quang không dây gồm ba phần chính: Bộ phát, Kênh truyền và Bộ thu

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

Bộ phát tín hiệu chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và truyền qua kênh tới bộ thu Phương thức điều chế phổ biến là điều chế cường độ, trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang được điều chỉnh theo dữ liệu cần truyền Cấu trúc của bộ phát tín hiệu bao gồm bộ điều chế, mạch điều khiển, nguồn quang và bộ phát tín hiệu.

Trong hệ thống quang không dây, kênh truyền tín hiệu hoạt động trong môi trường không khí, nơi tín hiệu có thể bị ảnh hưởng và hao tổn do các yếu tố môi trường Bên cạnh đó, tín hiệu cũng bị tác động bởi các hiện tượng hấp thụ và tán xạ, làm giảm chất lượng truyền dẫn.

Bộ thu tín hiệu có chức năng chính là thu nhận, lọc và khôi phục tín hiệu phát ra từ bộ phát, đồng thời chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Sau khi chuyển đổi, các tín hiệu này sẽ được gửi đến các thiết bị đầu cuối Cấu trúc của bộ thu bao gồm bộ thu tín hiệu quang, bộ lọc tín hiệu, bộ tách sóng và bộ giải điều chế.

Hệ thống hạ tầng mạng trên cao HAP

HAPs (High-altitude platform) là các phương tiện như máy bay hoặc khinh khí cầu, hoạt động ở độ cao trên 20 km trong tầng bình lưu Chúng được sử dụng để thiết lập mạng viễn thông hoặc thực hiện viễn thám phục vụ cho nhu cầu của người dân và quân đội HAPs có thể là thiết bị có người lái hoặc không có người lái.

Hình 2.3: Máy bay không người lái Proteus

HAP hoạt động trong tầng bình lưu, nơi nhiệt độ giảm dần theo độ cao, bắt đầu từ 7km ở các địa cực và 18km ở xích đạo, với nhiệt độ duy trì ở mức -60 o C Tầng bình lưu kéo dài đến độ cao 50km, nằm ngay trên đỉnh của tầng đối lưu.

Hình 2.4: Tốc độ gió theo độ cao

Trong luận văn, tác giả đề xuất rằng độ cao lý tưởng cho HAP là 20km, nơi tốc độ gió rất thấp, giúp HAP tiết kiệm năng lượng để duy trì vị trí Bên cạnh đó, độ cao này còn mang lại lợi thế về độ bao phủ rộng cho việc truyền thông, đồng thời nằm trong phạm vi độ cao thương mại.

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

Hệ thống truyền thông quang không dây sử dụng hạ tầng mạng trên cao với một HAP được mô tả trong Hình 2.5 Trong cấu hình này, các thiết bị FSO dưới mặt đất kết nối với FSO trên HAP để truyền dữ liệu Khi một thiết bị FSO dưới mặt đất cần gửi dữ liệu đến một thiết bị FSO khác thuộc cụm khác, dữ liệu sẽ được truyền qua các HAP để đảm bảo kết nối hiệu quả.

Phân cụm nút mạng bằng thuật toán K-mean

2.4.1 Tổng quan về thuật toán K-mean – Các khái niệm cơ bản

Phân cụm là một kỹ thuật quan trọng trong khai phá dữ liệu, thuộc phương pháp Unsupervised Learning trong Machine Learning Kỹ thuật này nhằm mục đích nhóm các đối tượng vào các cụm (clusters) sao cho các đối tượng trong cùng một cụm tương tự nhau, trong khi các đối tượng ở các cụm khác thì không tương tự.

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 ngẫu nhiên K tâm (centroid) cho K cụm (cluster) Mỗi cụm được đại diện bằng các tâm của cụm

 Tính khoảng cách giữa các đối tượng (objects) đến K tâm (thường dùng khoảng cách Euclidean)

 Nhóm các đối tượng vào nhóm gần nhất

 Xác định lại tâm mới cho các nhóm

 Thực hiện lại bước 2 cho đến khi không có sự thay đổi nhóm nào của các đối tượng

Hình 2.7: Mô hình thuật toán K-mean

2.4.2 Các điều kiện ràng buộc khi thực hiện phân cụm các thiết bị FSO dưới mặt đất bằng thuật toán K-mean

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 với các điều kiện ràng buộc Điều kiện đầu tiên giả định rằng các liên kết từ thiết bị FSO tới HAP có băng thông tối đa bằng nhau, với mỗi HAP chỉ cung cấp một ngưỡng băng thông nhất định Theo tài liệu ITU, tại độ cao 20km, băng thông tối đa cho mỗi liên kết với thiết bị FSO dưới mặt đất dao động từ 2Mb/s đến 45Mb/s Trong nghiên cứu, tác giả chọn băng thông tối đa cho mỗi liên kết là 10Mb/s, với tổng băng thông cho các liên kết từ thiết bị FSO tới HAP là 1000Mb/s.

Thiết kế topology mạng HAP bằng thuật toán Dijkstra và Heuristic

Tỉ lệ lỗi bit (BER) là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của các hệ thống truyền dữ liệu số, đặc biệt là trong các liên kết cáp quang và quang không dây BER giúp xác định chất lượng của liên kết khi chịu ảnh hưởng từ các yếu tố môi trường, khi dữ liệu được truyền qua những môi trường có nhiễu, khả năng xảy ra lỗi trong dữ liệu nhận được là rất cao Do đó, việc đo lường BER là cần thiết để đánh giá độ tin cậy của các liên kết này Công thức tính BER cho các liên kết quang không dây được trình bày trong bài báo [3], trong khi định nghĩa của BER có thể tham khảo từ đồ án [2].

Tỉ lệ lỗi bit của một liên kết đa liên kết được xác định bằng cách đo lường tỉ lệ lỗi bit tại điểm đầu và điểm cuối của liên kết.

CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ CÓ

Sử dụng các nghiên cứu đã có trong thiết kế mạng quang không dây sử dụng

sử dụng HAP có dự phòng

Bài toán thiết kế mạng quang không dây sử dụng HAP có dự phòng được chia thành ba nhiệm vụ chính Thứ nhất, thiết kế thuật toán phân cụm các nút mạng dưới mặt đất và xác định vị trí lắp đặt HAP, nhiệm vụ này sẽ dựa vào kết quả của nghiên cứu trước đó [1] Thứ hai, thiết kế topo cho mạng quang không dây FSO, cũng sẽ sử dụng lại kết quả từ nghiên cứu [2] Cuối cùng, nhiệm vụ thứ ba là xây dựng thuật toán tạo ra các đường truyền dự phòng cho các thiết bị FSO dưới mặt đất Để thực hiện nhiệm vụ đầu tiên và thứ hai, tác giả áp dụng thuật toán từ luận văn [1] để phân chia các thiết bị FSO thành nhóm, với HAP quản lý từng nhóm, từ đó xác định vị trí lắp đặt HAP Sau khi phân chia, tác giả sử dụng giải thuật trong đồ án [2] để thiết kế topo mạng HAP, áp dụng thuật toán Dijkstra kết hợp với giải thuật Heuristic điều chỉnh để đáp ứng các điều kiện ràng buộc, nhằm giải quyết các bài toán phức tạp trong thời gian ngắn.

Sau khi xác định vị trí của HAP và thiết kế topo mạng cho các HAP, tác giả đã phát triển một thuật toán để tạo ra các đường truyền dự phòng cho thiết bị FSO dưới mặt đất Thiết kế đường truyền dự phòng, nhiệm vụ thứ ba, là giải pháp chính của luận văn và sẽ được trình bày chi tiết trong Chương 4.

Sau khi phân tích đề bài và xác định các điều kiện đầu vào cùng yêu cầu đầu ra, tác giả đã thiết kế thuật toán để giải quyết vấn đề Sơ đồ thuật toán được trình bày trong Hình 3.1.

Hình 3.1: Sơ đồ thuật toán

Phân chia các thiết bị FSO về các HAP [1]

Để thực hiện nhiệm vụ thứ nhất của bài toán, tác giả tác giả sử dụng kết quả của đồ án [1], như sau:

 Với tổng số các HAP cho trước, thực hiện thuật toán K-mean để phân chia các thiết bị FSO sao cho:

Khi phân chia các thiết bị quang, cần đảm bảo rằng tổng bình phương khoảng cách từ các thiết bị FSO đến tâm là nhỏ nhất, tuân thủ điều kiện cơ bản của thuật toán K-mean.

 Tuy nhiên, để giải quyết vấn đề của bài toán, tác giả cần điều chỉnh thuật toán và thêm các điều kiện ràng buộc:

Với độ cao 20km, HAP có khả năng bao phủ vùng có bán kính 30km theo tài liệu ITU Vì vậy, thiết bị xa nhất trong khu vực quản lý của HAP không được vượt quá tầm phủ này.

Đám mây che phủ có độ cao 10km và bán kính độ phủ 5km Để đảm bảo an toàn, khoảng cách từ HAP mục tiêu đến HAP dự phòng cần phải đạt tối thiểu 10km.

Mỗi HAP có giới hạn băng thông tối đa cho các thiết bị FSO mặt đất, và tổng băng thông sử dụng của các thiết bị FSO trong một cụm không được vượt quá mức này Nếu các thiết bị FSO có giới hạn băng thông giống nhau, tổng số thiết bị FSO trong một cụm không được vượt quá 100 thiết bị cho mỗi HAP.

Sau khi hoàn thành chương trình và đáp ứng các điều kiện của thuật toán, kết quả thu được là tọa độ trung tâm của các cụm thiết bị FSO Điều này cũng thể hiện vị trí đặt các HAP trên cao và tổng số thiết bị thuộc từng HAP.

Sơ đồ khối thuật toán phân cụm được mô tả như Hình 3.2:

Hình 3.2: Sơ đồ khối thuật toán phân chia các thiết bị FSO dưới mặt đất

Thiết kế topo mạng giữa các HAP [2]

Để thực hiện nhiệm vụ thứ hai của bài toán, tác giả sử dụng kết quả của đồ án

 Đầu vào của thuật toán là tọa độ của các HAP, ma trận yêu cầu của các HAP.

 Khởi tạo các ma trận chứa các giá trị BER, ma trận băng thông của các liên kết HAP.

Gán trọng số cho các liên kết HAP dựa trên nguyên tắc rằng nếu BER của liên kết nhỏ hơn ngưỡng δ, trọng số sẽ được gán bằng 1; ngược lại, trọng số sẽ được gán bằng ∞.

 Sắp xếp lại ma trận yêu cầu

Kiểm tra băng thông của các liên kết và loại bỏ những liên kết không đáp ứng đủ yêu cầu băng thông Để thực hiện điều này, gán giá trị ∞ cho các phần tử tương ứng với những liên kết không đủ băng thông.

Thực hiện thuật toán Dijkstra với điều kiện tổng BER của các liên kết trên đường đi phải nhỏ hơn ngưỡng đã định Đồng thời, thêm các liên kết thuộc đường đi được tạo ra trong quá trình này.

 Cập nhật băng thông của các liên kết, cập nhật các trọng số

Sơ đồ khối thuật toán thiết kế topo mạng HAP được mô tả như Hình 3.3:

Hình 3.3: Sơ đồ khối thuật toán thiết kế topo mạng

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THIẾT KẾ TOPO MẠNG FSO SỬ DỤNG HAP

Ý tưởng thuật toán thiết kế đường đi dự phòng

Hình 4.1: Mô hình dự phòng

Mô hình dự phòng trong luận văn được mô tả như sau: Khi không có đám mây che, FSO truyền dữ liệu trực tiếp đến HAP của nó (đường màu đỏ trong Hình 4.1) và tiếp tục qua nhiều HAP trung gian đến đích (đường màu vàng) Nếu FSO bị che phủ bởi mây và không thể truyền đến HAP của mình, tác giả thiết lập một đường đi dự phòng: FSO gửi dữ liệu đến HAP dự phòng, và HAP này sẽ chuyển dữ liệu ngược lại cho HAP mục tiêu (màu xanh), tức là HAP gốc quản lý FSO mặt đất Dữ liệu từ HAP mục tiêu sau đó được chuyển tiếp theo đường cũ (màu vàng) giữa các HAP cho đến FSO đích Để xác định HAP dự phòng cho các HAP mục tiêu, tác giả dựa vào các tiêu chí cụ thể.

HAP dự phòng được xác định là HAP gần nhất với HAP mục tiêu (HAP gốc), nhưng phải cách HAP mục tiêu ít nhất 10km và không vượt quá 97,5km để đảm bảo khả năng vượt qua mây che.

Băng thông của HAP dự phòng, khi được sử dụng để hỗ trợ cho HAP mục tiêu, cần phải đảm bảo rằng không vượt quá giới hạn tối đa là 1000 Mb/s.

Bằng việc sử dụng các kết quả của [1] và [2], tác giả thực hiện được nhiệm vụ thứ nhất và nhiệm vụ thứ hai, bao gồm:

Phân chia các cụm FSO liên quan đến các HAP được thực hiện bằng thuật toán phân cụm như đã trình bày ở phần 3.2 Chương 3 Kết quả thu được bao gồm tọa độ và tổng số thiết bị của từng HAP.

Thiết kế topo mạng giữa các HAP sử dụng thuật toán đã trình bày trong phần 3.3 Chương 3 cho phép xác định topo mạng của các FSO dưới mặt đất thông qua các HAP trên không Để giải quyết nhiệm vụ tìm kiếm đường truyền dự phòng cho các kết nối hiện có, nhằm ứng phó với tình huống mây che làm gián đoạn các đường truyền LoS giữa FSO và HAP, tác giả đã phát triển một thuật toán nhằm thiết kế đường đi dự phòng hiệu quả.

 Tính khoảng cách giữa các HAP

Để đảm bảo hoạt động hiệu quả cho mỗi HAP, cần xác định một HAP dự phòng, được gọi là "HAP mục tiêu" HAP dự phòng phải đáp ứng các điều kiện ràng buộc: với độ cao 20km, khoảng cách tối đa từ thiết bị FSO đến HAP là 100km, độ cao của đám mây che phủ là 10km và bán kính che phủ là 5km HAP dự phòng được chọn phải là HAP gần nhất với HAP mục tiêu nhưng vẫn cách ít nhất 10km và không vượt quá 97,5km Bên cạnh đó, băng thông của HAP dự phòng, ngay cả khi sử dụng cho HAP mục tiêu, không được vượt quá băng thông tối đa là 1000 Mb/s.

Hình 4.2 Ảnh minh họa khoảng cách giữa FSO và HAP

Sơ đồ thuật toán thiết kế đường đi dự phòng được mô tả như Hình 4.2

Hình 4.3: Sơ đồ thuật toán thiết kế đường đi dự phòng

CÀI ĐẶT THUẬT TOÁN, KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Môi trường cài đặt thuật toán

Chương này trình bày kết quả của các thuật toán sử dụng cùng một bộ dữ liệu đầu vào, từ đó đưa ra nhận xét và đánh giá về giải pháp thiết kế mạng FSO sử dụng HAP Để phát triển thuật toán, tác giả đã áp dụng các công cụ cần thiết.

Linux là một hệ điều hành máy tính phổ biến trong cộng đồng lập trình, cung cấp nhiều công cụ và thư viện hỗ trợ cho việc lập trình và thiết kế chương trình Đây là hệ điều hành chính mà tác giả sử dụng trong quá trình nghiên cứu.

Matlab là phần mềm mạnh mẽ do công ty MathWorks phát triển, cung cấp môi trường tính toán số và lập trình Nó hỗ trợ xử lý các phép tính, số học và ma trận thông qua nhiều thư viện và công cụ hữu ích Tác giả đã ứng dụng Matlab trong nhiệm vụ thứ hai của mình.

Python là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ và phổ biến hiện nay, đặc biệt trong việc xử lý dữ liệu lớn Ngôn ngữ này được tích hợp sẵn trong hệ điều hành Linux và đi kèm với nhiều thư viện hỗ trợ hữu ích Tác giả đã sử dụng Python để thực hiện nhiệm vụ đầu tiên.

Git là một hệ thống quản lý mã nguồn mở rất phổ biến, cung cấp không gian làm việc nhóm hiệu quả cho các dự án lớn Việc tổ chức và sắp xếp không gian lập trình một cách khoa học là lý do khiến nhiều tổ chức và doanh nghiệp tin tưởng sử dụng Git.

Github là dịch vụ lưu trữ mã nguồn mở, nổi tiếng toàn cầu, cung cấp không gian cho lập trình viên lưu trữ và chia sẻ mã nguồn của họ trên mạng.

Với đầu vào dữ liệu là tọa độ các thiết bị FSO mặt đất sinh ra từ hàm sinh dữ liệu được mô tả như sau:

 Tổng số thiết bị FSO mặt đất: 475 và 801 thiết bị FSO

 Tọa độ các thiết bị FSO mặt đất được sinh ngẫu nhiên từ hàm sinh dữ liệu

 Độ phủ của HAP: bán kính 10km

 Bán kính đám mây che phủ

 Khả năng tải tối đa của thiết bị FSO dưới mặt đất: 10Mb/s

 Khả năng tải tối đa của thiết bị FSO trên HAP: 1000Mb/s

Kết quả thử nghiệm

Luận văn tập trung vào việc xác định các đường dự phòng cho thiết bị FSO dưới mặt đất, với mục tiêu quan trọng là xác định HAP dự phòng cho từng HAP mục tiêu, từ đó quản lý hiệu quả các FSO Tiêu chí đánh giá thực nghiệm của luận văn dựa trên số lượng HAP dự phòng tìm được; số lượng này càng nhiều thì chất lượng thuật toán càng cao.

HAP dự phòng đang thu thập dữ liệu từ FSO, với tỷ lệ cao hơn cho thấy thuật toán hoạt động hiệu quả hơn, nhằm phân tích và đánh giá các kết quả thực nghiệm trong luận văn.

5.2.1 Kết quả thuật toán thiết kế đường đi dự phòng

Kết quả từ việc thực hiện thuật toán thiết kế đường đi dự phòng cho thấy tổng số thiết bị mặt đất là 475, với sự thử nghiệm trên nhiều vùng khác nhau.

 Độ phủ của HAP: bán kính 10km

 Bán kinh đám mây che phủ: 5km

 Khả năng tải tối đa của thiết bị FSO dưới mặt đất: 10Mb/s

 Khả năng tải tối đa của thiết bị FSO trên HAP: 1000Mb/s

Hình 5.1: Kết quả phân cụm các thiết bị FSO mặt đất với 8 HAP

Hình 5.2: Tọa độ tâm và băng thông của 8 HAP

Hình 5.3: Kết quả tìm HAP dự phòng với 8 HAP

Bảng 5.1: Tổng hợp kết quả tìm HAP dự phòng với 8 HAP

Băng thông trên HAP trước dự phòng

Chỉ số HAP dự phòng

Băng thông trên HAP sau dự phòng

2 510 Không tìm được 890 Quá tải băng thông trên HAP

Hình 5.6: Kết quả tìm HAP dự phòng với 9 HAP Bảng 5.2: Tổng hợp kết quả tìm HAP dự phòng với 9 HAP

2 430 10 810 Quá tải băng thông trên HAP

Bảng 5.4: Tổng hợp HAP dự phòng tìm được và HAP đang nhận dữ liệu FSO

Số HAP đang nhận được dữ liệu từ FSO

Số HAP dự phòng tìm được HAP dự phòng

HAP đang nhận được dữ liệu từ FSO

10 4 2/5 b) Tổng số thiết bị mặt đất: 801

• Độ phủ của HAP: bán kính 10km

 Bán kinh đám mây che phủ: 5km

• Khả năng tải tối đa của thiết bị FSO dưới mặt đất: 10Mb/s

• Khả năng tải tối đa của thiết bị FSO trên HAP: 1000Mb/s

1 650 Không tìm được 650 Quá tải băng thông trên

Bảng 5.8: Tổng hợp HAP dự phòng tìm được và HAP đang nhận dữ liệu FSO

Số HAP đang nhận được dữ liệu Số HAP dự phòng tìm HAP dự phòng

Sau khi thực hiện thuật toán phân chia thiết bị FSO dưới mặt đất cho các HAP trên không và thiết kế đường đi dự phòng, kết quả thu được bao gồm tọa độ điểm đặt của các HAP, số lượng thiết bị FSO được mỗi HAP quản lý, HAP dự phòng cho HAP mục tiêu, băng thông dự phòng của HAP, và tổng số thiết bị FSO được sử dụng sau khi thực hiện dự phòng.

Theo các Bảng 5.4 và 5.8, khi số lượng các HAP nhận dữ liệu từ FSO tăng lên, số lượng HAP dự phòng tìm được cũng tăng, đáp ứng tiêu chí đánh giá thực nghiệm mà luận văn đã đề ra.

HAP dự phòng HAP đang nhận được dữ liệu từ FSO (tỷ lệ càng lớn thì thuật toán càng tốt)

Dựa trên các bảng tổng hợp kết quả tìm kiếm HAP dự phòng, một số HAP mục tiêu chưa được tìm thấy do quá tải trong việc tiếp nhận thông tin từ mặt đất Điều này xảy ra vì các HAP này phải xử lý yêu cầu truyền tin không chỉ từ vùng của mình mà còn từ cả vùng HAP dự phòng.

5.3 Đánh giá kết quả thu được

Sau khi thu được các kết quả, tác giả nhận thấy những đặc điểm sau:

 Khi áp dụng với bộ dữ liệu lớn, với số thiết bị FSO rất lớn, việc tính toán, kiểm tra điều kiện tương đối mất thời gian

 Số lượng HAP mục tiêu tìm được HAP dự phòng chưa nhiều

 Số lượng FSO đặt thêm trên các HAP sau khi chạy thuật toán dự phòng tăng khi số HAP tăng

Qua quá trình nghiên cứu và phân tích hệ thống truyền thông quang không dây (FSO) cùng với hạ tầng mạng trên cao (HAP), tác giả đã đạt được các mục tiêu cơ bản đề ra.

 Tìm hiểu được những lý thuyết cơ bản của hệ thống FSO, hạ tầng mạng trên cao HAP: các khái niệm cơ bản, các thiết bị liên quan,…

 Tìm hiểu thêm thuật toán K-mean để thực hiện phân cụm các thiết bị FSO về các HAP

 Xây dựng thuật toán thiết kế đường đi dự phòng

5.2 Những điểm còn hạn chế

Mặc dù đã nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức hạn chế, thời gian không đủ và một số yếu tố khách quan, luận văn vẫn gặp phải một số vấn đề.

Việc triển khai mô hình thực tế cho các thiết bị FSO dưới mặt đất vẫn chưa được thực hiện do khó khăn trong việc thống kê vị trí của chúng Hơn nữa, chi phí cho việc thực nghiệm vượt quá khả năng hiện tại.

Thuật toán thiết kế đường đi dự phòng hiện tại chưa được tối ưu, vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt là chưa thể tìm ra các đường dự phòng cho tất cả các HAP.

Sau thời gian nghiên cứu luận văn, tác giả đã nghiệm ra được một vài hướng phát triển như sau:

Cải thiện chất lượng thuật toán giúp tìm kiếm đường dự phòng cho tất cả các HAP, đồng thời giảm thiểu số lượng FSO sau khi thực hiện thuật toán dự phòng, từ đó tối ưu hóa chi phí bổ sung thiết bị.

Sau khi nắm vững kiến thức về FSO, chúng ta sẽ thiết kế một mô hình mạng thực tế với các yêu cầu ràng buộc nhằm tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu chi phí triển khai.

Tiêu đề	Thiết Kế Mạng Quang Không Dây Tầm Cao
Tác giả	Lương Tiến Sỹ
Người hướng dẫn	PGS.TS. Trương Thị Diệu Linh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Công Nghệ Thông Tin
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	57
Dung lượng	1,92 MB