Đặt vấn đề 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 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.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 Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 12 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 vị trí các điểm 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. 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 nhất, tác giả thiết kế chương trình phân cụm các nút mạng dưới mặt đất, tìm vị trí điểm lắp đặt HAP với một số ràng buộc. Nhiệm vụ 2: Trong nhiệm vụ thứ hai, yêu cầu bài toán đặt ra là thiết kế mô hình liên kết mạng cho các HAP với một số điều kiện ràng buộc cho trước.
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. 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 Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 13 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] Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
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.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. Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 15 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. Mô hình hệ thống FSO Giống như các hệ thống truyền thông khác, hệ thống FSO gồm 3 phần: Bộ phát, kênh truyền và bộ thu: Hình 2.2: Mô hình hệ thống truyền thông quang không dây Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 16 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 : 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. 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. Học viên thực hiện: Vũ Phạm Minh Hiển – CBC17018 17 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.