Thiết kế mạng quang không dây tầm cao sử dụng HAP - Luận văn Lương Tiến Sỹ

Luận văn trình bày giải pháp thiết kế mạng quang không dây (FSO) tầm cao. Ứng dụng nền tảng HAP đảm bảo truyền dữ liệu, có khả năng dự phòng.

• Tác giả: Lương Tiến Sỹ
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Thị Diệu Linh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Thiết kế mạng quang không dây tầm cao
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Thiết kế Mạng Quang Không dây FSO

Mạng quang không dây FSO (Free Space Optics) đang trở thành giải pháp tiên tiến trong lĩnh vực truyền thông hiện đại. Công nghệ này sử dụng tín hiệu quang để truyền dẫn dữ liệu qua môi trường không gian, mang lại những lợi thế vượt trội về tốc độ, hiệu suất chi phí và khả năng triển khai nhanh chóng. Với sự phát triển của công nghệ thông tin, nhu cầu về bandwidth cao và kết nối ổn định ngày càng tăng, đặc biệt ở các vùng địa hình phức tạp như đồi núi, hải đảo. Hệ thống mạng FSO không yêu cầu cấp phép tần số, giúp giảm đáng kể chi phí triển khai hạ tầng mạng. Các công ty công nghệ lớn như SpaceX, Facebook, Google đã nhận ra tiềm năng của công nghệ này và đang đầu tư phát triển các dự án truyền thông quang không dây quy mô lớn.

1.1. Định nghĩa và Nguyên lý Hoạt động FSO

FSO là công nghệ truyền tín hiệu quang qua không gian tự do. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên tắc Light of Sight (LOS), yêu cầu đường thẳng giữa các điểm phát và nhận. Tín hiệu ánh sáng được điều chế và phát qua laser, có tốc độ truyền dẫn cực nhanh. Công nghệ này có ưu điểm bao gồm tốc độ cao, tiết kiệm chi phí, triển khai linh hoạt và không phát thải sóng điện từ gây ảnh hưởng đến môi trường.

1.2. Thách thức của Truyền thông Quang Không dây

Mặc dù có nhiều ưu điểm, mạng FSO vẫn đối mặt với những thách thức đáng kể. Điều kiện thời tiết xấu như mây, sương mù có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu. Địa hình phức tạp với cây cối che phủ, chênh lệch độ cao cũng hạn chế tầm nhìn thẳng giữa các điểm. Do đó, cần giải pháp dự phòng và tối ưu hóa để đảm bảo truyền dữ liệu ổn định.

II. Hạ tầng Mạng Tầm cao HAP Giải pháp Tối ưu

Hạ tầng mạng tầm cao HAP (High Altitude Platform) là giải pháp đột phá để khắc phục những hạn chế của truyền thông mặt đất. HAP là những vật thể bay gần như cố định, hoạt động ở độ cao từ 17-22 km, cung cấp dịch vụ mạng cho những khu vực rộng lớn trong thời gian dài. Với vị trí độ cao đặc biệt này, HAP có thể bỏ qua những vật cản trên mặt đất như cây cối, địa hình đồi núi, và giảm thiểu tác động của điều kiện thời tiết. Mạng FSO kết hợp HAP tạo thành một hệ thống truyền thông quang không dây có khả năng dự phòng hiệu quả, đảm bảo yêu cầu truyền dữ liệu giữa các thiết bị. Giải pháp này đặc biệt phù hợp với Việt Nam, nơi có địa hình phức tạp, thường xảy ra thiên tai, và có nhiều vùng hẻo lánh cần kết nối mạng.

2.1. Đặc điểm và Ưu điểm của HAP

HAP là công nghệ trung gian lý tưởng giữa vệ tinh và mạng mặt đất. Những ưu điểm nổi bật bao gồm: độ trễ truyền thông thấp hơn vệ tinh, chi phí triển khai rẻ hơn, có thể hoạt động liên tục từ 3-4 giờ đến cả ngày. Hệ thống HAP cung cấp vùng phủ sóng rộng, có khả năng phục hồi mạng nhanh chóng sau thảm họa, và linh hoạt trong việc điều chỉnh topo mạng theo nhu cầu thực tế.

2.2. Ứng dụng HAP trong Mạng FSO Tầm cao

Kết hợp mạng FSO và HAP giúp thiết kế hệ thống mạng quang không dây với khả năng dự phòng mây che. HAP hoạt động như các điểm trung gian, nhận và phát lại tín hiệu FSO từ các thiết bị dưới mặt đất. Cấu hình này cho phép xây dựng topo mạng linh hoạt, tránh được những vùng có điều kiện thời tiết xấu, đồng thời đảm bảo kết nối mạng liên tục và ổn định cho các ứng dụng quan trọng.

III. Thiết kế Topo Mạng và Vị trí Đặt HAP

Thiết kế topo mạng FSO sử dụng HAP đòi hỏi quá trình tối ưu hóa phức tạp, xác định vị trí đặt các nền tảng tầm cao sao cho đảm bảo kết nối liên tục và hiệu quả. Mục tiêu chính là xác định vị trí tối ưu của HAP để phủ sóng toàn bộ khu vực, đồng thời giảm thiểu số lượng HAP cần triển khai. Các thuật toán phân cụm, tìm đường tối ưu và giải pháp tối ưu hóa được áp dụng để giải quyết bài toán này. Thiết kế mạng HAP phải xem xét những ràng buộc về khoảng cách giữa các nền tảng, yêu cầu bandwidth, khả năng dự phòng trước mây che, và đảm bảo yêu cầu truyền dữ liệu cho trước giữa các điểm FSO. Quá trình thiết kế này là nền tảng quan trọng để xây dựng hệ thống mạng có độ tin cậy cao.

3.1. Xác định Vị trí HAP Tối ưu

Xác định vị trí đặt các HAP là bước quan trọng nhất trong thiết kế mạng. Cần phải tính toán các yếu tố như tầm nhìn thẳng LOS, khoảng cách giữa HAP và thiết bị FSO, khả năng phủ sóng hiệu quả. Các thuật toán tối ưu hóa được sử dụng để tìm ra vị trí tối ưu, giảm thiểu số lượng HAP cần thiết, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS và khả năng dự phòng tối đa.

3.2. Kết nối và Tối ưu Bandwidth Mạng

Topo mạng FSO-HAP phải được thiết kế để tối ưu hóa sử dụng bandwidth giữa các nút. Các giải pháp bao gồm việc sử dụng thuật toán routing thông minh, phân bổ băng thông hiệu quả, và cấu hình kết nối dự phòng. Mục tiêu là đảm bảo truyền dữ liệu ổn định với yêu cầu dữ liệu cho trước giữa các FSO, đồng thời tránh tắc nghẽn mạng và đảm bảo độ tin cậy cao.

IV. Ứng dụng Thực tế và Triển vọng Phát triển

Công nghệ mạng FSO-HAP có tiềm năng ứng dụng rất lớn, đặc biệt ở các quốc gia có địa hình phức tạp như Việt Nam. Hệ thống này có thể được triển khai để cung cấp dịch vụ internet tốc độ cao cho các vùng hẻo lánh, hải đảo, nơi mà việc xây dựng hạ tầng cáp quang truyền thống gặp khó khăn. Giải pháp mạng quang không dây cũng rất hiệu quả trong việc phục hồi mạng sau các thảm họa thiên nhiên như lũ lụt, bão, động đất. Với khả năng triển khai nhanh chóng, linh hoạt, và chi phí hiệu quả, công nghệ FSO-HAP đang thu hút sự quan tâm của các tổ chức viễn thông quốc tế. Trong tương lai, việc kết hợp mạng FSO tầm cao với các công nghệ 5G, IoT sẽ mở ra những khả năng mới trong xây dựng hạ tầng mạng toàn cầu.

4.1. Ứng dụng tại Việt Nam

Với vị trí địa lý gần biển, địa hình đồi núi, và thường xảy ra thiên tai, Việt Nam là thị trường tiềm năng cho công nghệ mạng FSO-HAP. Hệ thống này có thể cung cấp kết nối internet cho các vùng hẻo lánh, hải đảo, hỗ trợ phát triển kinh tế địa phương, và cải thiện chất lượng cuộc sống. Đây là hướng đi phù hợp cho việc phát triển hạ tầng mạng bền vững tại Việt Nam.

4.2. Triển vọng và Hướng phát triển Tương lai

Mạng quang không dây FSO-HAP sẽ tiếp tục phát triển với những cải tiến về công nghệ, thuật toán tối ưu, và khả năng dự phòng. Kết hợp với 5G, AI, IoT, hệ thống này sẽ trở thành phần quan trọng của hạ tầng viễn thông tương lai. Các công ty công nghệ hàng đầu thế giới đang đầu tư lớn, hứa hẹn sẽ mang công nghệ mạng tầm cao đến gần hơn với người dùng trong những năm sắp tới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay các nước có cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin phát triển trên thế giới như Mỹ, Anh, Nhật, Canada…, 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 nước ta, việc sử dụng truyền thông quang không dây để truyền dữ liệu còn khá mới mẻ do những giá thành thiết bị tương đối cao. 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 là hệ thống dùng để chuyển 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 sự cố đứt cáp. Với những ưu điểm trên, hệ thống mạng quang không dây 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. 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. Học viên thực hiện: Lương Tiến Sỹ – CB180202 12 Hình 1.1: Mô hình mạng multi-HAP kết hợp FSO Bài 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. Trong các trường hợp nhất định, đường truyền giữa các thiết bị FSO với các thiết bị FSO trên HAP chứa có thể bị che khuất bởi mây hoặc một số nhân tố khác.

Khi đó, tác giả sẽ xây dựng một đường truyền dự phòng để sử dụng trong trường hợp 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:  Thực hiện chia các thiết bị FSO mặt đất về các HAP phụ trách sao cho thỏa mãn các yêu cầu về băng thông, độ phủ của một HAP. Từ đó xác định vị trí đặt các HAP.  Với các vị trí điểm đặt HAP có được, thiết kế mô hình topo mạng cho các HAP sao cho thỏa mãn các yêu cầu băng thông giữa các HAP và thỏa mãn ngưỡng BER đầu cuối.

 Tìm các thiết bị HAP phù hợp với các thiết bị FSO dưới mặt đất để tạo ra đường truyền dự phòng cho thiết bị FSO trong trường hợp đường truyền chính bị che. Học viên thực hiện: Lương Tiến Sỹ – CB180202 13 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 1: Nhiệm vụ thiết kế thuật toán phân cụm các nút mạng dưới mặt đất, tìm vị trí điểm lắp đặt HAP với một số ràng buộc. o Số lượng thiết bị FSO mỗi cụm không vượt quá băng thông tối đa của FSO trên HAP là 100. o Chưa tính tới 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 2: hiệm vụ thiết kế TOPO cho mạng quang không dây FSO. Nhiệm vụ này sẽ không được thực hiện trong ĐATN của tác giả mà sẽ sử dụng lại kết quả của ĐATN [2].  Nhiệm vụ 3: Trong nhiệm vụ thứ ba, tác giả sẽ xây dựng thuật toán nhằm tạo ra các đường truyền dự phòng cho các thiết bị FSO dưới mặt đất.

Định hướng giải quyết 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. Để giải quyết nhiệm vụ thứ nhất, tác giả sử dụng lại kết quả của luận văn [1] là 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 chiếu 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] Để giải quyết nhiệm vụ thứ ba, tác giả sử dụng các điều kiện ràng buộc về khoảng cách giữa FSO và HAP, độ che phủ đám mây, điều kiện ràng buộc về băng thông giữa của HAP kết nối đến mỗi nhóm FSO mà HAP đó quản lý Học viên thực hiện: Lương Tiến Sỹ – CB180202 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. 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 ở cuối thế kỷ 19.

Thí nghiệm FSO của Bell đó là ông đã chuyển đổi tín hiệu âm thanh (giọng nói) thành tín hiệu điện thoại và phát chúng giữa các bộ thu phát qua không gian tự do dọc theo một luồng sáng trong khoảng cách khoảng 183m. Thiết bị thí nghiệm của ông được gọi là “photophone”, Bell coi trọng công nghệ quang này hơn là điện thoại – phát minh vĩ đại của ông vì công nghệ này không cần đến dây dẫn cho việc truyền tín hiệu. FSO là công nghệ sử dụng sự lan truyền ánh sáng trong không gian để truyền dữ liệu. Đây là công nghệ truyền thông băng thông rộng tầm nhìn thẳng: Line Of Sight (LOS), trong đó thay vì được truyền trong môi trường thủy tinh của sợi cáp quang, ánh sáng được truyền trực tiếp thông qua không khí môi trường bên ngoài.

Chính vì vậy, hệ thống thường được cài đặt trên các địa hình cao như nóc các tòa nhà cao tầng, việc cài đặt và bảo trì hệ thống FSO được thực hiện khá dễ dàng và nhanh chóng. Hơn nữa, khác với việc truyền thông không dây qua sóng vô tuyến, khi lắp đặt hệ thống FSO, nhà khai thác dịch vụ không cần đăng ký cấp phép tần số do tín hiệu được truyền đi với tần số của sóng ánh sáng thông thường. Với việc sử dụng hệ thống FSO để truyền dữ liệu, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới khoảng 2. 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.

Học viên thực hiện: Lương Tiến Sỹ – CB180202 15 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. Học viên thực hiện: Lương Tiến Sỹ – CB180202 16 Hình 2.2: Mô hình hệ thống truyền thông quang không dây 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.