Nghiên cứu các phương pháp định tuyến tối ưu trong mạng viễn thông

Với định hướng như vậy, nội dung luận văn được bố cục thành 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về định tuyến trong mạng viễn thông Chương 2: Các phương pháp định tuyến tối ưu Chương 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ

ĐÀO TẠO

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

HẠ THỊ ÁNH

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU

TRONG MẠNG VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2010

MỞ ĐẦU

Một trong những hoạt động chủ yếu của mạng truyền thông là các thủ tục chọn đường và kết nối cuộc gọi Định tuyến là một chức năng không thể tách rời của mạng viễn thông khi kết nối các cuộc gọi từ điểm xuất phát tới điểm đích và có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc thiết

kế và tối ưu hóa mạng Cấu trúc mạng, giải pháp công nghệ và phương pháp định tuyến là 3 vấn đề liên quan mật thiết với nhau và quyết định chất lượng hoạt động của mạng Chính vì vậy, bài toán định tuyến cần được quan tâm nghiên cứu để nhằm tối ưu hóa hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về các phương pháp định tuyến, với mục đích chủ yếu là tìm ra những phương pháp định tuyến thích hợp để áp dụng vào thực tế mạng lưới Trong thời gian gần đây, xu hướng định tuyến theo giá trị (lợi ích) mang lại trên mạng đã trở thành một chủ

đề nghiên cứu quan trọng Thông thường, lợi ích mang lại trên mạng được tối đa bằng việc tối ưu hóa các hàm mục tiêu Tùy thuộc vào cấu trúc và các đường truyền trên mạng mà các hàm mục tiêu và ràng buộc đi theo sẽ khác nhau

Luận văn đi sâu vào nghiên cứu vấn đề định tuyến tối ưu và nghiên cứu một số phương pháp giải bài toán định tuyến tối ưu trong mạng viễn thông Với định hướng như vậy, nội dung luận văn được bố cục thành 3 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về định tuyến trong mạng viễn thông Chương 2: Các phương pháp định tuyến tối ưu

Chương 3: Một số phương pháp giải bài toán định tuyến tối ưu trong mạng viễn thông

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VIỄN THÔNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỊNH TUYẾN

Định tuyến là quá trình xác lập đường thông trên mạng để kết nối thuê bao gọi đi với thuê bao bị gọi Khi một cuộc gọi xuất phát từ thuê bao, trước hết cần xác định xem hiện có đường thông nào trên mạng có thể dùng để nối cuộc gọi tới đích được không, nếu có (thông thường là sẽ có một tập hợp các đường thông) ta phải quyết định chọn đường thông nào, hoặc nếu không còn đường thông nào rỗi cả thì ta cần xử lý như thế nào: hủy hay chờ,…

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới sự quyết định này như: số đường thông lý thuyết trên mạng có thể dùng để kết nối hai thuê bao, trạng thái (bận/rỗi) của các đường trung kế, các nút chuyển mạch… Để kết nối cuộc gọi, cần có các quy định về việc xác định đường thông, gọi là quy tắc định tuyến (chọn đường), thường được biểu diễn dưới dạng các bảng định tuyến Bảng định tuyến thông thường là danh mục các đường thông theo một thứ tự nhất định để theo đó tổng đài sẽ chọn đường để xác lập cuộc gọi

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VIỄN THÔNG

1.2.1 Định tuyến chia tải (Load sharing)

Định tuyến chia tải có nguyên lý cơ bản như sau: giả sử ta có một tập hợp các đường thông k, với các đường k1, k2, k3… lưu lượng tới tn sẽ được phân chia thành các lưu lượng nhỏ ti để đưa vào các đường ki tương ứng Các hệ số phân chia là cố định Nếu đường ki bị chiếm hết thì các cuộc gọi trong ti sẽ bị rớt Với phương pháp này, các phần lưu lượng chia nhỏ sẽ có tính chất tương tự như lưu lượng gốc tn, ví dụ như nếu tn là Poisson thì các lưu lượng t cũng sẽ là Poisson Ưu điểm của phương pháp

chia tải là các xác suất phân bổ cuộc gọi vào các hướng là cố định, và việc tối ưu hóa có thể được thực hiện bằng phương pháp phi tuyến tính chuẩn

Hình 1.2 Chia tải

Thiếu sót cơ bản của định tuyến chia tải với các hệ số chia tải cố định là ta không có khả năng chọn một đường thông nào khác ngoài đường

đã được phân chia ngay từ đầu, nếu đường này bị chiếm hết thì cuộc gọi sẽ

bị rớt, trong khi đó vẫn có thể có đường thông khác còn rỗi để kết nối nó

để khắc phục những nhược điểm của phương pháp chia tải, người ta nghĩ tới việc cần phải chọn đường thông một cách linh hoạt hơn, cụ thể là đường thông sẽ được chọn từ một tập hợp các đường thông có thể dùng để kết nối, theo những điều kiện và quy tắc cụ thể

1.2.2 Định tuyến thay thế (Alternate Routing)

Định tuyến thay thế được sử dụng ngay từ khi mạng viễn thông đầu tiên được thiết lập Trong định tuyến thay thế, các đường thông dùng

để kết nối được sắp xếp theo một thứ tự nhất định từ trước và cuộc gọi sẽ được kết nối trên đường thông còn kênh trung kế rỗi đầu tiên trong thứ tự này Việc tìm kiếm đường thông được bắt đầu từ đường đầu tiên trong thứ

tự (còn gọi là đường ưu tiên 1 – first choice), nếu đường thông này bận thì

sẽ xét đường tiếp theo (second choice)… cho tới khi tìm được đường thông rỗi Đường thông đứng cuối trong thứ tự này (last choice) được gọi

là đường cuối cùng (final router) và nếu đường thông cuối cùng này cũng

bận thì cuộc gọi sẽ bị loại bỏ Có thể nêu ra một số phương pháp tiêu biểu

như: định tuyến thay thế phân bậc cố định, định tuyến thay thế động và định tuyến thay thế động không phân bậc

1.2.3 Định tuyến thích nghi (Adaptive routing)

Cùng với sự tiến bộ về công nghệ, việc ra đời các thế hệ tổng đài điện tử số điều khiển bởi chương trình lưu trữ, các hệ thống truyền dẫn số, các hệ thống báo hiệu kênh chung… đã loại bỏ được tất cả những hạn chế

đó và cho ta khả năng có được lượng thông tin lớn gấp bội để quản lý và điều khiển mạng lưới Những ưu thế này đã cho phép các nhà khai thác mạng nghiên cứu ứng dụng những phương pháp định tuyến phức tạp hơn, hiện đại hơn, gần với thực trạng mạng lưới hơn, đó là các phương pháp định tuyến theo trạng thái thực của mạng, được gọi chung là định tuyến thích nghi.Các phương pháp định tuyến tự thích nghi được sử dụng phổ biến hiện nay là định tuyến tự thích nghi theo dung lượng còn lại: Residual Capacity Adaptive Routing (RCAR), định tuyến theo sơ đồ trạng thái trung kế, định tuyến tối ưu trên cơ sở các hàm giá trị

1.2.4 Định tuyến theo phương pháp tự học (Learning automata)

“Tự học” là lý thuyết được sử dụng nhiều trong kỹ thuật điều khiển Phương pháp này rất có tác dụng khi ta có rất ít thông tin về sự phản hồi của ngoại cảnh đối với hoạt động của hệ thống Sự phản hồi của ngoại cảnh được ghi nhận sau mỗi tác động thay đổi của hệ thống, và thực

tế thông tin phản hồi duy nhất là: tác động này là tốt hơn tác động trước bởi vì nó tạo ra nhiều thông tin phản hồi tốt hơn so với tác động trước Như vậy, kênh thông tin “tác động  phản hồi” là cách duy nhất để liên lạc với ngoại cảnh

Phương pháp tiếp cận này có ưu điểm cơ bản là rất đơn giản Tuy nhiên, nó có hạn chế lớn khi quá trình tiếp cận trở nên quá chậm do thông tin phản hồi quá hạn chế, trong lúc đó thì ngoại cảnh đã thay đổi rất nhiều

Do vậy phương pháp này chỉ thích hợp đối với những mạng có yêu cầu độ tin cậy không cao lắm Bên cạnh đó, còn có các hạn chế về độ ổn định của

thuật toán, tốc độ hội tự cũng như việc xác định điểm tối ưu tuyệt đối Với những hạn chế lớn ở trên, phương pháp tự học đơn thuần không được áp dụng vào thực tế mạng viễn thông mà chỉ có một số nguyên lý của phương pháp này được ứng dụng mà thôi

1.2.5 Định tuyến mạng truyền tải (Transport network Routing)

Định tuyến mạng truyền tải động (Dynamic Transport Routing – DTR) có thể được kết hợp với định tuyến lưu lượng động để thay đổi độ rộng băng tần (số lượng kênh trung kế) của đường truyền dẫn giữa các tổng đài nhằm đáp ứng nhu cầu thay đổi về lưu lượng trên mạng, đặc biệt

là mạng đa dịch vụ với những cuộc gọi rất khác nhau về băng tần cũng như độ dài Định tuyến mạng truyền tải động cho ta khả năng tự động dự phòng các tuyền truyền dẫn, chuyển hướng tuyến, khôi phục tuyến một cách nhanh chóng để nâng cao độ sử dụng các tuyến truyền dẫn và chất lượng của mạng trong những điều kiện nguy cấp

1.2.6 Định tuyến động hỗn hợp (Mixed Dynamic Routing)

Với xu thế hội tụ giữa truyền thông và tin học, giữa các mạng PSTN, DCN, IP…, trong tương lai gần chúng ta sẽ chứng kiến sự tiến hóa lên một thế hệ mạng thông tin mới – Next Generation Networks Mạng thế

hệ mới này sẽ bao gồm một mạng cốt lõi băng rộng (core network) xây dựng trên cơ sở công nghệ gói (packet based network), còn các mạng hiện tại sẽ bao quanh (edge network), kết nối và tương tác với nhau qua phần cốt lõi này Để đáp ứng được các yêu cầu rất cao về băng thông, độ tổn thất cũng như tính thời gian thực của các dịch vụ tương lai, các phương pháp định tuyến rất mới theo công nghệ IP và mạng neural đang được các chuyên gia tích cực nghiên cứu phát triển Các phương pháp định tuyến này sẽ được sử dụng trong mạng cốt lõi băng rộng trên cơ sở công nghệ

gói, còn các phương pháp định tuyến lưu lượng động truyền thống vẫn tiếp tục được phát triển trong các mạng chuyển mạch kênh thông thường

1.3 Kết luận chương

Định tuyến trong mạng viễn thông đã trải quan một quá trình tiến hóa lâu dài và đa dạng Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ viễn thông và máy tính, các phương pháp định tuyến ngày càng trở nên linh hoạt và gắn liền với hiệu quả của hoạt động mạng lưới hơn, kế hoạch định tuyến trở thành một thành phần không thể thiếu được trong công tác thiết

kế, xây dựng và vận hành,quản lý mạng

Trong sự phát triển như vũ bão của khoa học và công nghệ, xu thế cạnh tranh, hội nhập và toàn cầu hóa, mạng viễn thông, hơn lúc nào hết, cần được cải tiến lại về cấu trúc và nghiên cứu trong bị những công nghệ định tuyến hiện đại nhất, cạnh tranh nhất Định tuyến thích nghi, đặc biệt

là định tuyến tối ưu theo lợi ích là một trong những giải pháp hiệu quả để thực hiện mục tiêu đó

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU

Trong chương 1, chúng ta đã tiến hành xem xét quá trình tiến hóa của định tuyến, cũng như các phương pháp định tuyến điển hình nhất, để thấy được sự cần thiết phải áp dụng các phương pháp định tuyến hiện đại, đặc biệt là phương pháp định tuyến tối ưu vào mạng viễn thông trong tương lai gần Việc xây dựng và giải quyết bài toán định tuyến tối ưu là một bước quan trọng trong quá trình quy hoạch, thiết kế mạng và có vai trò quyết định để đạt được hiệu quả mang lại từ hoạt động thực tế của mạng lưới, tuy nhiên, đó không phải là việc đơn giản

Để có cách nhìn tổng quan, có điều kiện so sánh, tìm ra những vấn

đề mở và hướng áp dụng vào mạng viễn thông, trong chương này, chúng

ta xem xét một số phương pháp xây dựng bài toán tối ưu trên hai mô hình mạng và lưu lượng điển hình là mô hình lưu lượng nhiều thành phần và

mô hình định tuyến theo lợi ích, cũng như phương pháp phân tích và giải các bài toán đó

2.1 TỐI ƯU THEO MÔ HÌNH LƯU LƯỢNG NHIỀU THÀNH PHẦN (Multicommodity Flow – MF)

Mô hình lưu lượng nhiều thành phần được sử dụng tương đối rộng rãi và hiệu quả trong nghiên cứu lý thuyết giao thông vận tải và trong lĩnh vực chuyển mạch gói viễn thông Mô hình này cũng thường được nghiên cứu áp dụng vào mạng chuyển mạch kênh để xây dựng và giải các bài toán tối ưu về định tuyến

2.1.1 Mô hình lưu lượng nhiều thành phần MF

Theo phân tích của A.Girard, mô hình lưu lượng nhiều thành phần

MF là kết quả thu được từ việc áp dụng mô hình quá trình liên tục theo thời gian của Markov vào mạng chuyển mạch kênh, với giả thiết rằng tất

cả các đường thông nối giữa các nút mạng là được cho trước và theo một thứ tự quy định

Mô hình lưu lượng nhiều thành phần cho phép chúng ta mô tả một cách tương đối đầy đủ trạng thái hoạt động của một mạng chuyển mạch kênh Việc áp dụng mô hình MF để xây dựng và giải các bài toán định tuyến tối ưu cho ta hai tính chất quan trọng: (1) lưu lượng phải được chọn một cách tối ưu sao cho đối với mỗi thành phần thì “giá trị danh giới” của lưu lượng trên tất cả các đường thông i có mang lưu lượng đó phải bằng nhau và (2) bài toán có thể được giải nhờ các thuật toán đặc biệt cho phép biến đổi về các phép tính toán tìm đường thông ngắn nhất (hoặc chi phí nhỏ nhất) để áp dụng được cho các mạng tương đối lớn

2.1.2 Bài toán tối ưu phi tuyến theo mô hình lưu lượng MF

Ta nghiên cứu bài toán phi tuyến về các “giá trị” hoặc “chi phí” áp dụng cho lưu lượng nhiều thành phần đã được đơn giản hoá ở trên (bỏ chỉ

số trạng thái j) Mục tiêu của bài toán MF ở đây là phân chia mỗi thành phần k

k l

trong đó:

- xk là nhu cầu đối với thành phần (loại cuộc gọi) k

- xl k là véctơ lưu lượng - đường thông, x biểu diễn phần lưu lượng loại k được chuyển tải trên đường thông l

- z  g (x )là hàm giá trị phi tuyến, phụ thuộc vào lưu lượng xvà cần phải tối thiểu hoá (hàm mục tiêu)

- uk và vk là các nhân tử Kuhn-Tucker tương ứng với các ràng buộc chúng sẽ xuất hiện trong đó

Ta xem xét tính chất của lời giải tối ưu cho bài toán (2.1) và một thuật toán giải tương đối đơn giản để khai thác các đặc điểm cấu trúc nhiều thành phần của bài toán

2.1.3 Tối ưu theo MF trong mô hình định tuyến chia tải

Lưu lượng nhiều thành phần được nghiên cứu dựa trên giả thiết rằng lưu lượng được lưu thông tại tất cả các nút trên mạng lưới sao cho toàn bộ lưu lượng đưa vào đường thông cuối cùng sẽ được chuyển tải hết Nhưng điều này sẽ là không phải tất cả các cuộc gọi sẽ được kết nối Do vậy mô hình MF không áp dụng trực tiếp ngay được vào định tuyến trong mạng chuyển mạch kênh theo thời gian thực mà phải tính tới yếu tố tổn hao Trong trường hợp này lưu lượng có thể được mô hình hoá trên cơ sở tính tới sử dụng các hàm tổn hao trên các đường thông Ta xem xét việc áp dụng mô hình lưu lượng nhiều thành phần để tính toán định tuyến tối ưu trong hoạt động của mạng thực tế, trước hết là cho mạng có cấu trúc chia tải (hình 2.2)

Hình 2.2 Phân chia lưu lượng MF theo các đường thông

Ký hiệu ij

k

A là phần lưu lượng xuất phát từ nút i tới nút jvà đi qua tổng đài Toll k Trong trường hợp thông thường nhất, mục tiêu bài

toán tối ưu là tối thiểu hoá tổng lưu lượng bị rơi trên mạng, với hàm mục tiêu là:

a z

có thể được nghiên cứu bằng phương pháp biển đổi sang hàm Lagrange và dẫn tới kết luận rằng tồn tại những tham số - giá trị danh giới gắn với đường thông, không phụ thuộc vào loại lưu lượng (hướng địa chỉ đi - đến)

2.1.4 Tối ưu theo MF trong mô hình định tuyến thay thế

Định tuyến thay thế có thể được tối ưu hoá bằng hai phương pháp Phương pháp thứ nhất là biến đổi và đơn giản hoá về mô hình định tuyến chia tải, phương pháp thứ hai là dùng các bài toán tổ hợp

2.2 ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU THEO LỢI ÍCH

2.2.1 Khái niệm “giá trị kéo theo” (Implied cost)

Theo ý tưởng do F.P.Kelly đề xuất vào năm 1988, lợi ích thu được

từ hoạt động của mạng lưới có thể được biểu diễn bằng một phép tổng từ tất cả các lưu lượng đã được chuyển tải tới đích nhân với “giá trị” của lưu lượng đó Giá trị của lưu lượng có thể gán bằng nhiều đại lượng khác nhau, trường hợp đặc biệt khi tất cả các giá trị đó đều bằng 1 thì tổng thu được chính là tổng lưu lượng được chuyển tải trên mạng