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, … Hình 1: Mô hình mạng quang không dây Để xây dựng một hệ thống truyền thông không dây trên một khu vực rộng lớn, hiểm trở cần có sự kết hợp của nhiều thiết bị HAP lắp đặt trên không gian, ở các độ 13 cao lớn (20 km) với các thiết bị FSO mặt đất (Ground node) như hình 1. Tuy nhiên do giá thành các thiết bị bay khá lớn, và độ phủ của các thiết bị FSO trên HAP cũng chỉ có thể phủ một diện tích nhất định (độ mở thiết bị phát là 25o, tại độ cao h=20 km thì bán kính phủ là 30 km (theo tài liệu ITU [2]), do đó cũng không thể lắp đặt quá ít. Do đó phát sinh yêu cầu xây dựng topo mạng truyền thông không dây với các điểm đặt các HAP bổ sung.
Trong quá trình hoạt động của hệ thống truyền thông không dây FSO, do các điều kiện môi trường như mây, nhiễu loạn không khí, … thì đường truyền dữ liệu bị gián đoạn, nên cần thiết kế topo mạng có tính dự phòng cao. Bài toán được đặt ra như sau: Giả sử có một số điểm trên mặt đất cần truyền dữ liệu cho nhau, các điểm này được trang bị các thiết bị quang không dây FSO. Các điểm cho trước này ở cách xa nhau và không thể truyền dữ liệu trực tiếp hay qua các điểm trung gian trên mặt đất, do đó để truyền dữ liệu giữa các điểm nguồn-đích ta cần sử dụng các thiết bị HAP trên không trung làm điểm chuyển tiếp dữ liệu. Các thiết bị HAP này sẽ giao tiếp với nhau và giao tiếp với các thiết bị FSO trên mặt đất – Ground node.
Giữa các cặp nguồn-đích luôn có hai đường truyền dữ liệu: đường chính và đường dự phòng để đảm bảo kết nối dữ liệu luôn liên tục và ổn định. Bài toán được cho trước các thông tin sau: - Cho trước số Ground node tối đa và vị trí các điểm đặt thiết bị FSO dưới mặt đất. - Cho trước độ cao các HAP được hoạt động. - Cho trước băng thông tối đa của HAP cung cấp cho các thiết bị FSO dưới mặt đất.
- Cho trước ma trận thông lượng M (trong điều kiện bài toán, tác giả thiết lập thông lượng giữa các liên kết là bằng nhau và nhỏ hơn băng thông tối đa truyền giữa các thiết bị) - Cho trước các cặp nguồn-đích cần truyền dữ liệu Yêu cầu đặt ra - Truyền dữ liệu giữa các cặp ground node ở xa, thông qua các HAP - Đảm bảo băng thông giữa từng HAP với cụm FSO trên mặt đất luôn nằm trong giới hạn băng thông của HAP. - Đảm bảo đạt các yêu cầu của ma trận thông lượng - Tỷ lệ lỗi BER e2e< Ràng buộc: - Có một số hữu hạn các ground nodes có kết nối đường truyền trên mặt đất với nhau. 14 - Mỗi HAP thì có thể phủ một vài Ground nodes trong một phạm vi nhất định bán kính R. - Giả thiết đường truyền từ 1 HAP xuống một cụm node có thể trên mặt đất bị gián đoạn do thời tiết hoặc môi trường truyền, hoặc có vật thể che khuất - Tổng số thiết bị HAP sử dụng nhỏ hơn số lượng tối đa M HAP cho phép - Do chi phí lắp đặt và vận hành các HAP lớn hơn nhiều với thiết bị FSO, nên giải thuật bài toán đưa ra sẽ chú trọng vào tiêu chí giảm thiểu số lượng HAP cần lắp đặt, không thực hiện ràng buộc số FSO.
Nhiệm vụ luận văn - Xây dựng phương án, giải pháp dự phòng khi có tình huống gián đoạn đường truyền - Thiết kế Topo mạng đáp ứng giải pháp dự phòng nêu trên, với các yêu cầu về băng thông, độ phủ và tỷ lệ lỗi nằm trong giới hạn cho phép 1. ĐỊNH HƯỚNG GIẢI QUYẾT Bài toán nêu trên là một bài toán phức tạp, có nhiều ràng buộc, đặc biệt là việc cần thiết kế một topo mạng có tính dự phòng cao. Để giải quyết vấn đề trên, tác giả phải lần lượt nghiên cứu và giải quyết các bài toán nhỏ hơn, cụ thể như sau: - Do phải truyền dữ liệu từ các điểm xa nhau, không có kết nối trực tiếp, nên cần phải sử dụng các HAP làm điểm truyền dữ liệu trung gian. Từ đó phát sinh vấn đề xác định tọa độ của các HAP để số lượng HAP là nhỏ nhất (mục đích là tiết kiệm chi phí lắp đặt, triển khai các HAP).
Chính vì thế cần phải nghiên cứu và áp dụng mô hình phân cụm dữ liệu. - Để xác định đường truyền dữ liệu từ điểm nguồn tới điểm đích, tác giả cần nghiên cứu và áp dụng các giải thuật tìm đường để xác định đường đi ngắn nhất, với ràng buộc là tỷ lệ lỗi trên toàn trình BERe2e nằm trong phạm vi cho phép. - Với yêu cầu topo mạng phải có tính dự phòng, tác giả cần nghiên cứu các cơ chế dự phòng của mạng, theo đường và theo đoạn để có thể xây dựng giải thuật tối ưu. - Với các HAP hiện có sau quá trình phân cụm, việc có đủ cả đường truyền dữ liệu chính và dự phòng có thể không được thỏa mãn, do đó tác giả cần nghiên cứu thêm giải thuật bổ sung các HAP vào topo mạng để có thể thỏa mãn yêu cầu dự phòng cao.
Để giải quyết bài toán phân cụm, tác giả sử dụng thuật toán K-mean có chỉnh sửa để thực hiện tìm tọa độ các HAP cần bổ sung Để thực hiện bài toán tìm đường, có dự phòng và thỏa mãn các điều kiện ràng buộc, tác giả sử dụng thuật toán Suurballe có chỉnh sửa để thực hiện tìm đường đi có dự phòng theo đường. 15 Ngoài ra, tác giả còn sử dụng thuật toán Dijkstra có chỉnh sửa, để xác định đường đi ngắn nhất và khoảng cách tối thiểu tới điểm đích. Với vấn đề bổ sung các HAP để đảm bảo tính dự phòng, tác giả sử dụng phương pháp hình học Euclid để xác định tọa độ các HAP cần bổ sung trong quá trình xây dựng topo mạng. Trong quá trình xây dựng thuật toán, tác giả đề xuất phương pháp sử dụng các liên kết mặt đất (có dây hoặc không dây) giữa các thiết bị FSO nguồn/đích trong các cụm lân cận, trong điều kiện cho phép về khoảng cách và khả năng lắp đặt.
Mục đích của phương pháp trên là sử dụng các đường truyền mặt đất (nếu có) để truyền dữ liệu sang cụm bên cạnh, tái sử dụng đường đi sẵn có của các thiết bị FSO khác tại cụm lân cận, giảm bớt số HAP cần xây dựng. Để xây dựng các liên kết giữa các thiết bị FSO nguồn (đích) tại hai cụm lân cận, tác giả tạo các kết nối 1-1 giữa các FSO nguồn (đích) tại hai cụm. Giới hạn số kết nối là số FSO nguồn (đích) nhỏ nhất của các cụm. Để đánh giá thuật toán, tác giả đề xuất sử dụng hai bộ dữ liệu - Bộ dữ liệu tổng quát: Trong đó các thiết bị FSO trên mặt đất không có liên kết với nhau - Bộ dữ liệu có liên kết chọn lọc: Các FSO đóng vai trò thiết bị nguồn hoặc đích tại các cụm lân cận sẽ có liên kết 1-1 với nhau (từng cặp liên kết), trong giới hạn về khoảng cách.
16 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 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. Truyền thông không dây 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 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 Hình 2: Mô hình truyền dữ liệu quang không dây 17 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.