(Luận văn thạc sĩ) đánh giá hiệu năng giải pháp cấp phát băng thông dựa trên lý thuyết trò chơi cho hệ thống XG PON

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Vũ Trọng Biên LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2022 download by : skknchat@gmail.com HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Vũ Trọng Biên TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP CẤP PHÁT BĂNG THÔNG DỰA TRÊN LÝ THUYẾT TRÒ CHƠI CHO HỆ THỐNG XG-PON CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS LÊ HẢI CHÂU HÀ NỘI - 2022 download by : skknchat@gmail.com i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu riêng tơi Việc sử dụng kết quả, trích dẫn tài liệu tham khảo tạp chí, trang web tham khảo đảm bảo theo quy định Các nội dung trích dẫn tham khảo tài liệu, sách báo, thông tin đăng tải tác phẩm, tạp chí trang web theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cho lời cam đoan Tác giả luận văn Vũ Trọng Biên download by : skknchat@gmail.com ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng thời gian qua dìu dắt tận tình truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm vô quý báu để em có kết ngày hơm Xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Lê Hải Châu, người hướng dẫn khoa học luận văn, hướng dẫn tận tình giúp đỡ mặt để hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô Khoa Đào tạo sau đại học hướng dẫn giúp đỡ em trình thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo VNPT Hải Dương tạo điều kiện thời gian, địa điểm sách hỗ trợ tác giả trình học tập thực luận văn Cuối biết ơn tới gia đình, bạn bè người thân động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập thực luận văn Tác giả luận văn Vũ Trọng Biên download by : skknchat@gmail.com iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .vi DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG 10 GIGABIT/S (XG -PON) .2 1.1 Tổng quan công nghệ quang thụ động hệ XG - PON 1.1.1 XG-PON 1.1.2 Q trình tiến hóa từ GPON sang XGPON 1.2 Kiến trúc thành phần hệ thống truy nhập quang thụ động XG-PON 1.2.1 Mơ hình tổng quang 1.2.2 Mơ hình tham chiếu chi tiết 1.3 Ứng dụng hệ thống truy nhập quang thụ động .13 1.3.1 Ứng dụng cung cấp FTTH, FTTC 13 1.3.2 Mạng LAN dùng công nghệ PON 14 1.3.3 Ứng dụng mạng PON lĩnh vực sản xuất công nghiệp .15 1.4 Kết luận chương 16 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP CẤP PHÁT BĂNG THÔNG ĐỘNG PAS CHO HỆ THỐNG XG – PON 18 2.1 Giới thiệu chung 18 2.2 Nguyên lý cấp phát băng thông động mạng quang thụ động 19 download by : skknchat@gmail.com iv 2.2.1 Giới thiệu chung 19 2.2.2 Thỏa thuận mức độ dịch vụ .21 2.2.3 Cơ chế cấp phát băng thông động DBA 22 2.3 Một số thuật tốn cấp phát băng thơng động 23 2.3.1 Thuật tốn phân bổ băng thơng động nhỏ 23 2.3.2 Thuật toán Bi-Partitional 26 2.3.3 Thuật toán lập lịch Round – Robin 31 2.4 Kỹ thuật cấp phát băng thơng động dựa lý thuyết trị chơi PAS 33 2.4.1 Giới thiệu lí thuyết trị chơi 34 2.4.2 Cân Nash lí thuyết trị chơi .34 2.4.3 Trò chơi cấp phát băng thông XG – PON 38 2.5 Kết luận chương 42 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CƠ CHẾ CẤP PHÁT BĂNG THÔNG ĐỘNG PAS 44 3.1 Giới thiệu chung 44 3.2 Mô chế cấp phát băng thông động PAS cho XG-PON 45 3.2.1 Công cụ mô 45 3.2.2 Chương trình mơ cấp phát băng thông động PAS Error! Bookmark not defined 3.2.3 Tham số mô .50 3.3 Khảo sát đánh giá hiệu hệ thống 53 3.3.1 Thông lượng 53 3.3.2 Độ trễ gói trung bình 56 3.3.3 Chỉ số công tải công trễ 58 download by : skknchat@gmail.com v 3.4 Kết luận chương 62 KẾT LUẬN 63 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 download by : skknchat@gmail.com vi DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Alloc - ID CBR CIR DBA EIR FEC FS IEEE ITU MTU NSR ODN OFDM PON OLT OMCC OMCI ONU PAS PLOAM PON download by : skknchat@gmail.com vii PMD QoS SAS SDU SLA SNMP SR TC T – CONT TWDM PON XGEM XG - PON XGTC 53 3.3 Khảo sát đánh giá hiệu hệ thống 3.3.1 Thơng lượng Hình 3.5 3.6 thể thông lượng hệ thống XG-PON hai chế cấp pháp băng thông động so sánh PAS chế mặc định thông thường điều kiện lưu lượng tốc độ bit biến thiên lưu lượng tốc độ bít cố định Kết cho thấy thông lượng tăng lên số lượng ONU tăng Tuy nhiên điểm bão hịa 24 ONU, lại có khác biệt PAS chế mặc định Lúc lưu lượng hệ thống bắt đầu trở nên ổn định, nhiên áp dụng chế PAS lưu lượng đạt cao so với sử dụng chế mặc định Điều làm bật lên trội chế PAS Bên cạnh đó, kết cho thấy hiệu PAS vượt trội với trường hợp lưu lượng tốc độ bít cố định Để làm rõ ảnh hưởng khoảng cách trung bình từ ONU đến OLT lên hiệu hệ thống, thông lượng hệ thống đánh giá với khoảng cách trung bình 40 km 80 km thể Hình 3.7 3.8 Kết thể cho thấy, độ chênh lệch hiệu giải pháp PAS so với giải pháp mặc định nhấn mạnh với khoảng cách lớn Đó sai khác độ trễ lớn hiệu đạt phân giảm download by : skknchat@gmail.com 54 Hình 3.5 Thơng lượng hệ thống theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 60 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên Hình 3.6 Thơng lượng hệ thống theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 60 km lưu lượng tốc độ bit cố định download by : skknchat@gmail.com 55 Hình 3.7 Thơng lượng hệ thống theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 40 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên Hình 3.8 Thơng lượng hệ thống theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 80 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên download by : skknchat@gmail.com 56 3.3.2 Độ trễ gói trung bình Các Hình 3.9, 3.10, 3.11 3.12 thể phụ thuộc độ trễ gói trung bình hệ thống đạt theo hai chế cấp phát băng thông đối sánh PAS chế mặc định vào số lượng ONU với khoảng cách ONU-OLT trung bình 20km, 40 km, 60 km 80 km Đúng thực tế, độ trễ trung bình tăng lên số lượng ONU trở nên lớn Cũng giống thơng lượng, độ trễ gói trung bình đạt chế PAS tốt chế mặc định khoảng cách từ ONU đến OLT đủ lớn Ngay hiệu PAS tốt chút so với giải pháp mặc định, điều quan trọng để xác minh tính ưu việt hồn tồn PAS có khả phân bổ băng thông công trì độ trễ trung bình so với hệ thống XG – PON mặc định Các kết thể Hình 3.9-3.12 thể hai điểm chính: a) làm bật điểm bão hịa (xảy thời điểm lưu lượng ổn định) b) xác nhận tính ưu việt PAS áp dụng trị chơi cân q trình phân bổ băng thơng Hình 3.9 Độ trễ gói trung bình theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 20 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên download by : skknchat@gmail.com 57 Hình 3.10 Độ trễ gói trung bình theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 40 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên Hình 3.11 Độ trễ gói trung bình theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 60 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên download by : skknchat@gmail.com 58 Hình 3.12 Độ trễ gói trung bình theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 80 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên 3.3.3 Chỉ số công tải cơng trễ Phân tích hiệu giải pháp phân bổ băng thông không đủ chỉ ưu việt thông lượng độ trễ gói trung bình, số cơng tải cơng trễ đóng vai trò quan trọng việc đáp ứng yêu cầu cấp phát băng thơng động Hình 3.13 đến Hình 3.16 biểu diễn số công tải công trễ theo số lượng ONU hệ thống hai giải pháp cấp phát băng thơng động Hình 3.13 Hình 3.14 thể phụ thuộc số công tải số lượng ONU thay đổi khoảng từ đến 32 hai chế cấp phát băng thông động với loại lưu lượng dịch vụ khác Các kết thu hai loại lưu lượng: tốc độ bít cố định tốc độ bít biến thiên, tương đương với Đồ thị kết cho thấy giai đoạn: giai đoạn xác định từ đến 20 ONU, giai đoạn thứ hai áp dụng số lượng ONU lớn 20 với điểm phân chia hai giai đoạn 24 ONU (điểm bão hòa) Trong giai đoạn đầu, hiệu suất hai đồ thị gần tương tự nhau, nhiên lược đồ áp dụng PAS trội download by : skknchat@gmail.com 59 chút, đặc biệt số lượng ONU lớn 16 Sự cải thiện nhỏ hoạt động thuật tốn cấp phát băng thơng động PAS kích hoạt băng thơng u cầu lớn dung lượng cấp Tuy nhiên, giai đoạn đầu này, hai giải pháp gây suy giảm công tải PAS cho thấy khả quản lý số công tốt Sự công tải mà PAS đem lại thực diễn giai đoạn thứ hai, mà mạng bão hòa Hệ thống áp dụng PAS kích hoạt lúc băng thơng yêu cầu không đủ cho tất ONU so với giai đoạn Do đó, đồ thị kết giải pháp cấp phát băng thông động mặc định có xu hướng giảm xuống nhanh, đồ thị kết chế PAS không trì số cơng tải ổn định giai đoạn tăng lên tối đa số lượng ONU lớn 24 Hình 3.13 Chỉ số công tải theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 60 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên download by : skknchat@gmail.com 60 Hình 3.14 Chỉ số cơng tải theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 60 km lưu lượng tốc độ bit cố định Tương tự, Hình 3.15 3.16 cho thấy phụ thuộc số công trễ vào số lượng ONU hai kịch lưu lượng xét Với tham số hệ thống XG – PON, tốc độ đường lên 2,5 Gbit/s, kích thước gói tin 1518 byte, lần nữa, thấy đồ thị chia thành hai giai đoạn, tức là, trước sau thời điểm bão hòa Ở đây, hiệu số công trễ đạt PAS cho thấy vượt trội hẳn so với hiệu đạt giải pháp cấp phát băng thông động mặc định Kể tăng số lượng ONU từ đến 32, số công trễ PAS xấp xỉ mức 1.0, điều có nghĩa gần trạng thái công bằng/cân Trong đó, kết đạt với giải pháp phân bổ băng thông mặc định bắt đầu giảm số lượng ONU đạt mức bão hòa 20 giảm mạnh xuống điểm thấp N = 24 (tại điểm bão hồ) Chỉ số có xu hướng tăng trở lại số lượng ONU lớn 24 Những nhận xét cho thấy số công trễ theo chế mặc định đạt không cao ổn định Điều lần khẳng định, hiệu giải pháp PAS tốt thực tế thay đổi độ trễ thiết bị ONU phụ thuộc lớn vào độ trễ truyền dẫn gói tin download by : skknchat@gmail.com 61 Hình 3.15 Chỉ số cơng trễ theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 60 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên Hình 3.16 Chỉ số cơng trễ theo số lượng ONU với khoảng cách trung bình ONU OLT 80 km lưu lượng tốc độ bit biến thiên download by : skknchat@gmail.com 62 3.4 Kết luận chương Nội dung chương tập trung vào việc mơ chế xử lí phân bổ băng thông hệ thống XG – PON ứng dụng lí thuyết trị chơi chế phân bổ băng thơng mặc định, qua đó, đánh giá hiệu so sánh hai giải pháp Bằng việc ứng dụng lí thuyết trị chơi điểm cân Nash lí thuyết trị chơi, chế cấp phát băng thông động PAS áp dụng cho mô hình XG – PON cho phép phân bổ tải nguyên hiệu đảm bảo số công tải công trễ tốt so với thuật toán ITU-T khuyến nghị cho XG-PON Kết mơ chứng minh tính ưu việt kĩ thuật phân bổ băng thông động chế PAS việc đảm bảo tính cân ONU so với giải pháp cấp phát mặc định download by : skknchat@gmail.com 63 KẾT LUẬN Các tính tiêu chuẩn cơng nghệ XG-PON ITU-T có khả cho phép nhà cung cấp dịch vụ chuyển hóa dễ dàng hệ thống truy cập quang GPON lên mạng truy nhập quang thụ động tốc độ 10 Gigabit XG-PON cách sử dụng chung sở hạ tầng mạng cáp sợi quang ODN triển khai cho phép hai hệ thống (GPON XG-PON) hoạt động kết hợp sở hạ tầng mạng cách sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng Mạng truy nhập quang thụ động hệ NG-PON với tốc độ 10 Gbit/s kỳ vọng có khả khai thác triệt để ưu điểm vượt trội sợi quang dung lượng lớn suy hao truyền dẫn thấp ưu điểm vốn có kiến trúc truy nhập quang thụ động để làm giảm chi phí cho nhà khai thác mạng cung cấp giá trị tốt cho người dùng đáp ứng yêu cầu hiệu giá thành việc nâng cấp Tuy nhiên nay, vấn đề cấp phát băng thông mạng PON gặp nhiều vấn đề chưa thể tận dụng triệt để lượng băng thông khổng lồ Do vậy, luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp cấp phát băng thông động hiệu dựa lý thuyết trò chơi (PAS) cho hệ thống XG-PON Giải pháp cấp phát băng thơng động PAS có khả phân bổ tài nguyên băng thông tới ONU cho việc phân bổ tiến dần tới điểm cân Nash Tại điểm này, lượng băng thông dành cho ONU cân Các kết mô số đánh giá hiệu hệ thống áp dụng cho thấy, giải pháp PAS có khả đảm bảo tính cơng độ trễ tải tốt hơn, nhờ giúp làm giảm độ trễ trung bình hệ thống so với giải pháp cấp phát băng thông động mặc định Điều cho thấy giải pháp PAS phù hợp với hệ thống XG-PON không phân chia người dùng theo độ ưu tiên Các kết nghiên cứu luận văn trình bày theo bố cục bao gồm 03 nội dung sau: • Nghiên cứu tổng quan công nghệ, kiến trúc, đặc điểm ứng dụng mạng truy nhập quang thụ động tốc độ 10Gbps (XG – PON) download by : skknchat@gmail.com 64 • Nghiên cứu giải pháp cấp phát băng thông động hệ thống XG – PON, sở lí thuyết trị chơi điểm cân Nash lí thuyết trị chơi ứng dụng giải pháp cấp phát băng thơng động PAS • Mơ đánh giá hiệu chế cấp phát băng thông động PAS đồng thời so sánh với chế mặc định (cơ chế lập lịch Round -Robin) Các kết thu cho thấy chế PAS có hiệu tốt đảm bảo cân tốt việc cấp phát băng thơng cho ONU Nếu có thêm thời gian điều kiện nghiên cứu, chủ đề nghiên cứu luận văn tiếp tục thực mở rộng theo hướng ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) việc cấp phát băng thông hệ thống PON download by : skknchat@gmail.com 65 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] LÊ HẢI CHÂU, (2011), “XG-PON – Tiêu chuẩn công nghệ PON 10 Gigabit ITU-T,” Tạp chí Cơng nghệ Thơng tin Truyền thông, (kỳ 1, tháng 10,) -20- [2]CHRISTOS DALAMAGKAS, “PAS: A Fair Game-Driven DBA Scheme for XG-PON Systems,” (2018) 11th International Symposium on Communication Systems, Networks & Digital Signal Processing (CSNDSP) [3]F EFFENBERGER, (2011), Vol.29, “The XG-PON System: Cost Effective 10Gb/s Access,” IEEE Journal of Lightwave Technology [4]ITU-T Recommendation G.987, (2010), “10-Gigabit-capable passive optical network (XG-PON) systems: Definitions, Abbreviations, and Acronyms,” [5]ITU-T Recommendation G.987.1, (2010), “10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): General Requirements,” [6] ITU-T Recommendation G.987.2, (2010), “10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): Physical Media Dependent (PMD) Layer Specification,” [7]ITU-T Recommendation G.987.3, (2010), “10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): Transmission Convergence (TC) Layer Specification,” [8] J KANI, AND K SUZUKI, (2009), Vol.7, “Standardization Trends of Nextgeneration 10 Gigabit-class Passive Optical Network Syztems,” NTT Technical Review [9] S JAIN, F EFFENBERGER, A SZABO, Z FENG, A FORCUCCI, W GUO, Y LUO, R MAPES, Y ZHANG, AND V.O’BYRNE, (2011), Vol.29, (“World’s First XGPON Field Trial,” IEEE Journal of Lightwave Technology download by : skknchat@gmail.com ... CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Vũ Trọng Biên TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP CẤP PHÁT BĂNG THÔNG DỰA TRÊN LÝ THUYẾT TRÒ CHƠI CHO HỆ THỐNG XG- PON CHUYÊN... 10 Gbps, nội dung luận văn tập trung nghiên cứu, khảo sát đánh giá hiệu giải pháp cấp phát băng thông động dựa lý thuyết trò chơi cho hệ thống XG- PON Bố cục nội dung luận văn gồm chương trình bày... công nghệ truy nhập quang thụ động 10 Gigabit/s (XG- PON) giới thiếu công nghệ GPON, trình chuyển đổi từ GPON lên XGPON Chương 2: Giải pháp cấp phát băng thông động PAS cho hệ thống XG – PON Chương