Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM (routing and wavelength assignment)

Luận văn Định tuyến gán bước sóng mạng WDM (Routing and Wavelength Assignment) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hệ thống thông tin quang đời với ưu điểm vượt trội áp dụng rộng rãi mạng lưới thông tin tồn cầu Hiện nay, hệ thống thơng tin quang truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu mạng số tích hợp dịch vụ ISDN Vì thế, hệ thống thông tin quang mũi đột phá tốc độ truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao Đối với hệ thống thơng tin quang, mơi trường truyền dẫn sợi quang, thực truyền ánh sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát tới phía thu Định tuyến gán bước sóng trở thành chức khơng thể thiếu mạng quang WDM Vấn đề đặt định tuyến đường cho ánh sáng gán bước sóng cho tuyến để đạt mạng tối ưu Trong đồ án kĩ thuật thơng tin này, em xin trình bày đề tài định tuyến gán bước sóng mạng WDM (Routing and Wavelength Assignment) Đồ án chia thành bốn chương:  Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang  Chương 2: Giới thiệu hệ thống WDM  Chương 3: Định tuyến gán bước sóng mạng WDM  Chương 4: Thực mơ định tuyến cho đường ánh sáng lightpath Đề tài “Định tuyến gán bước sóng mạng WDM” đồ án phân tích cần thiết chức định tuyến gán bước sóng mạng quang WDM, trở thành chức thiếu việc điều hành mạng quang Phương pháp nghiên cứu đề tài: dựa vào chức định tuyến gán bước sóng WDM, thực mơ chức định tuyến mạng Ánh sáng sợi quang phải qua nhiều node mạng trung gian để tới node đích, tức qua tuyến trung gian Việc định tuyến với tiêu chí tối ưu hàm mục tiêu tham số quen thuộc băng thơng, độ trễ, chi phí tuyến, Vì dùng thuật tốn tìm đường ngắn Dijkstra để thực mô định tuyến tối ưu mạng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Văn Phịng tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, đồng thời động viên thời gian em nghiên cứu đề tài Em xin cảm ơn tất thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thơng nhiệt tình dạy dỗ, cung cấp trang bị cho em kiến thức quí báu, cám ơn gia đình động viên em suốt thời gian vừa qua, cám ơn bạn góp ý kiến chân thành góp phần giúp em hồn thành đồ án Trong thời gian thực đồ án ngắn đồ án, có nhiều cố gắng đồ án khơng khỏi tránh thiếu sót Kính mong thầy cô giáo khoa bạn tận tình bảo góp ý kiến để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Đà Nẵng, ngày tháng năm 2007 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu chương Lượng thông tin trao đổi hệ thống thông tin ngày tăng lên nhanh Bên cạnh gia tăng số lượng, dạng lưu lượng truyền thông mạng thay đổi Dạng liệu chủ yếu lưu lượng Internet Số người sử dụng truy cập Internet ngày tăng thời gian lần truy cập thuờng kéo dài gấp nhiều lần nói chuyện điện thoại Chúng ta hướng tới xã hội mà việc truy cập thơng tin đáp ứng lúc, nơi cần Mạng internet ATM ngày không đủ dung lượng để đáp ứng cho nhu cầu băng thơng tương lai Hình 1.1: Sự gia tăng lưu lượng liệu tiếng nói qua năm Kĩ thuật thơng tin quang xem vị cứu tinh việc giải vấn đề Bởi hệ thống thông tin quang đời với khả vượt trội nó: băng thơng khổng lồ (gần 50Tbps), suy giảm tín hiệu thấp (khoảng 0.2dB/km), méo tín hiệu thấp, địi hỏi lượng cung cấp thấp, khơng bị ảnh hưởng nhiễu điện từ, khả bảo mật cao… Vì thơng tin quang xem kĩ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng Các hệ thống thông tin quang không đặc biệt phù hợp với tuyến thơng tin đường dài, trung kế mà cịn có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Tổng quan hệ thống thơng tin quang Vì việc phát triển xây dựng hệ thống thông tin sợi quang cần thiết cho nhu cầu phát triển thông tin tương lai Trong chương nói rõ hệ thống thơng tin sợi quang việc truyền ánh sáng sợi quang 1.2 Giới thiệu thông tin quang Khác với thông tin hữu tuyến hay vô tuyến - loại thông tin sử dụng môi trường truyền dẫn tương ứng dây dẫn khơng gian hình 1.2 - thơng tin quang hệ thống truyền tin qua sợi quang hình 1.3 Điều có nghĩa thơng tin chuyển thành ánh sáng sau ánh sáng truyền qua sợi quang Tại nơi nhận, lại biến đổi thành thơng tin ban đầu Hình 1.2: Thơng tin hữu tuyến Hình 1.3: Thơng tin quang 1.2.1 Sự phát triển thông tin quang Các phương tiện sơ khai thông tin quang khả nhận biết người chuyển dộng, hình dáng màu sắc vật qua đơi mắt Tiếp hệ thống thông tin điều chế đơn giản xuất cách sử dụng đèn hải đăng, đèn hiệu Sau đó, năm 1791, VC Chape phát minh máy điện báo quang Thiết bị sử dụng khí mơi trường truyền dẫn, chịu ảnh hưởng điều kiện thời tiết Để giải hạn chế này, Marconi sáng chế máy điện báo vơ tuyến có khả thực thông tin người gởi người nhận xa Đầu năm 1880, A.G Bell- người phát minh hệ thống điện thoại nghĩ thiết bị quang thoại có khả biến đổi dao động máy hát thành ánh sáng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang Tuy nhiên, phát triển hệ thống bị bỏ bê xuất hệ thống vô tuyến Sự nghiên cứu đại thông tin quang bắt đầu phát minh thành công Laser năm 1960 khuyến nghị Kao Hockham năm 1966 việc chế tạo sợi quang có độ tổn thất thấp Bốn năm sau, Kapron chế tạo sợi quang suốt có độ suy hao khoảng 20dB/km Được cổ vũ thành công này, nhà khoa học kĩ sư khắp giới bắt đầu tiến hành hoạt động nghiên cứu phát triển kết công nghệ giảm suy hao truyền dẫn, tăng dải thông, Laser bán dẫn… phát triển thành công năm 70, độ tổn thất suy hao giảm đến 0.18dB/km Hơn năm 70, Laser bán dẫn có khả thực dao động liên tục chế tạo, tuổi thọ ước lượng khoảng 100 năm cho phép tạo cự ly truyền xa với dung lượng truyền lớn mà không cần đến tái tạo Cùng với công nghệ chế tạo nguồn phát thu quang, sợi dẫn quang tạo hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội hẳn so với hệ thống thông tin cáp kim loại Hiện hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN 1.2.2 Những ưu điểm hệ thống thông tin quang Thông tin sợi quang có ưu điểm vượt trội Trong phần này, em đưa ưu điểm thể tính vượt trội nó:  Băng thơng khổng lồ đầy tiềm năng: tần số sóng mang quang khoảng1013 đến 1016 Hz (thường gần vùng hồng ngoại quanh giá trị 1014 Hz), cung cấp băng thông truyền lớn nhiều so với hệ thống cáp kim loại (băng thông cáp đồng trục khoảng 500Mhz) Hiện tại, giá trị băng thông hệ thống sợi quang chưa sử dụng hết việc vài GHz qua khoảng cách vài km hàng trăm Mhz qua khoảng cách hàng chục Km mà không cần can thiệp điện (dùng lặp) Vì thế, dung lượng mang thơng tin hệ thống thông tin quang lớn nhiều so với hệ thống cáp đồng tốt Do suy hao lớn băng thông rộng, hệ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang thống cáp đồng trục giới hạn khoảng cách truyền với vài km băng thơng 100Mhz  Sợi quang kích thước nhỏ nhẹ: sợi quang có bán kính nhỏ, thường bán kính khơng lớn bán kính sợi tóc người Vì thế, chí sợi quang phủ thêm lớp bảo vệ chúng nhỏ nhẹ nhiều so với cáp đồng  Sự cách li điện: sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh đơi lúc chất dẻo, chất cách điện, khơng giống với dây dẫn kim loại, khơng cho thấy trục trặc Hơn nữa, đặc tính làm cho việc truyền thông tin sợi quang trở nên phù hợp cách lí tưởng cho thơng tin mơi trường mạo hiểm điện  Không bị ảnh hưởng nhiễu xuyên âm: sợi quang chế tạo từ chất điện môi phi dẫn nên chúng không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ, xung điện tử, nhiễu tần số vơ tuyến Vì hoạt động hệ thống thông tin quang không bị ảnh hưởng truyền qua mơi trường nhiễu điện Điều có nghĩa lắp đặt cung ứng với cáp điện lực sử dụng mơi trường phản ứng hạt nhân  Bảo mật thông tin: ánh sáng từ sợi quang bị xạ cách khơng đáng kể nên chúng có tính bảo mật tín hiệu cao Đặc tính thu hút quân đội, ngân hàng ứng dụng truyền liệu  Suy hao thấp: phát triển sợi quang qua nhiều năm đạt kết việc chế tạo sợi quang có độ suy hao thấp Sợi quang chế tạo với độ suy hao 0.2dB/km đặc tính trở thành lợi thông tin quang Điều thuận lợi cho việc đặt khuếch đại cho khoảng cách đường truyền mà khơng cần chuyển sang tín hiệu điện bước trung gian, giảm giá thành độ phức tạp hệ thống  Tính linh hoạt: lớp bảo vệ cần thiết, sợi quang chế tạo với sức căng cao, bán kính nhỏ Với lợi kích thước trọng lượng, sợi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Tổng quan hệ thống thơng tin quang quang nói chung tốt việc lưu trữ, chuyên chở, xử lí lắp đặt dễ hệ thống cáp đồng  Độ tin cậy hệ thống dễ bảo dưỡng: đặc tính suy hao thấp sợi quang nên giảm yêu cầu số lặp trung gian số khuếch đại đường truyền Vì thế, với vài lặp độ tin cậy hệ thống nâng cao hẳn hệ thống dẫn điện Hơn nữa, độ tin cậy thiết bị quang khơng cịn vấn đề, thiết bị quang có tuổi thọ cao, khoảng 20-30 năm  Giá thành thấp đầy tiềm năng: thủy tinh cung cấp cho thông tin quang lấy từ cát, nguồn tài nguyên khan Vì thế, sợi quang đem lại giá thành thấp Thông tin quang cho phép truyền đồng thời tín hiệu có bước sóng khác Đặc tính với khả truyền dẫn băng thơng rộng sợi quang sẵn có làm cho dung lượng truyền dẫn tuyến trở nên lớn 1.2.3 Cấu trúc thành phần hệ thống thơng tin quang Mã hố Phát Thiết bị phát quang Bộ lặp Sợi quang Sợi quang Thiết bị thu quang Giải mã Thu Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống thông tin quang Các thành phần tuyến truyền dẫn quang bao gồm: phần phát quang, cáp sợi quang phần thu quang -Phần phát quang: cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điều khiển liên kết với Phần tử phát xạ ánh sáng là: Diod Laser (LD), Diod phát quang (LED: Light Emitting Diode) LED dùng phù hợp cho hệ thống thơng tin quang có tốc độ bit khơng q 200Mbps sử dụng sợi đa mode LED phát xạ tự phát, ánh sáng không định hướng nên để sử dụng LED tốt hệ thống thơng tin quang phải có cơng suất xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh LD khắc phục nhược điểm LED, thường sử dụng LD cho truyền dẫn tốc độ cao LD có nhiều ưu điểm so với LED: phổ phát xạ LD hẹp (khoảng từ đến 4nm nên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang giảm tán sắc chất liệu), góc phát quang hẹp (5- 100), hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi cao - Cáp sợi quang: gồm sợi dẫn quang lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ mơi trường bên ngồi Có thể chọn loại sợi sau: sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi quang đa mode chiết suất giảm dần, sợi quang đơn mode - Phần thu quang: tách sóng quang mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Trong hệ thống thơng tin quang, người ta quan tâm tách sóng quang diod quang PIN diod quang kiểu thác APD chế tạo từ bán dẫn Si, Ge, InP Ngoài thành phần chủ yếu này, tuyến thơng tin quang cịn có nối quang, mối hàn, chia quang trạm lặp Tất tạo nên tuyến thơng tin hồn chỉnh Tương tự cáp đồng, cáp sợi quang khai thác với điều kiện lắp đặt khác nhau, treo ngồi trời, chơn trực tiếp đất đặt biển,…tuỳ thuộc vào điều kiện lắp đặt khác mà độ chế tạo cáp khác mối hàn kết nối độ dài cáp thành độ dài tổng cộng tuyến lắp đặt Tham số quan trọng cáp sợi quang tham gia định độ dài tuyến suy hao sợi quang theo bước sóng Nguồn phát quang thiết bị phát sử dụng LED laser bán dẫn Cả hai nguồn phát phù hợp cho hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu có tham số biến đổi tương ứng với thay đổi dịng điều biến Bước sóng làm việc nguồn phát quang phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, đoạn sợi quang nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang khai thác tuyến Tín hiệu ánh sáng điều chế nguồn phát quang đuợc lan truyền dọc theo sợi quang để tới phần thu quang Khi truyền sợi dẫn quang, tín hiệu thường bị suy hao méo yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sóng quang phần thu thực tiếp nhận ánh sáng tách lấy tín hiệu từ hướng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang phát tới Tín hiệu quang biến đổi trở lại thành tín hiệu điện Các Photodiod PIN Photodiod thác APD sử dụng làm tách sóng quang hệ thống thơng tin quang Đặc tính quan trọng thiết bị thu quang độ nhạy thu quang Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tới cự ly đó, tín hiệu quang sợi bị suy hao nhiều cần thiết phải có trạm lặp quang đặt tuyến Những năm gần đây, khuếch đại quang sử dụng để thay cho thiết bị trạm lặp quang 1.3 Sợi quang 1.3.1 Sợi dẫn quang Sợi quang dây nhỏ dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy tia hồng ngoại Chúng có lõi có phần bao bọc xung quanh lõi Để ánh sáng phản xạ cách hồn tồn lõi chiết xuất lõi phải lớn chiết suất áo chút Hình 1.5: Cấu tạo sợi quang Vỏ bọc phía ngồi áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với sợi bên cạnh làm cho sợi quang dễ xử lí Để bọc ngồi ta dùng nguyên liệu mềm Lõi áo làm thủy tinh hay chất dẻo (silicat, chất dẻo, kim loại, Flour, sợi quang kết tinh) Ngoài chúng phân loại thành loại sợi quang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 4: Thực mô 4.Click “OK” để nhận kết 65 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 4: Thực mô 4.5 Kết luận chương Ta thấy thuật toán định tuyến Dijkstra ứng dụng hiệu việc định tuyến lightpath mạng WDM để tìm đường tối ưu với hàm mục tiêu (cost function) mạng mà ta áp đặt cho Hàm mục tiêu ta theo tiêu chí mạng chi phí tuyến, lượng lưu lượng, băng thơng… Sự áp đặt thực cách đặt trọng số tuyến giá trị hàm mục tiêu Sau trình định tuyến đến node mạng, node mạng thực gán bước sóng cho lightpath Việc gán bước sóng phải thoả mãn điều kiện liên tục bước sóng khơng node mạng phải sử dụng chuyển đổi bước sóng 66 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 4: Thực mơ Đề tài “định tuyến gán bước sóng mạng quang WDM” cho thấy vai trò quan trọng định tuyến gán bước sóng mạng quang WDM, hiểu số giải thuật định tuyến phương pháp gán bước sóng cho lightpath mạng quang Đồng thời chương trình mơ thể trình định tuyến lightpath từ node nguồn đến node đích để đường tối ưu theo hàm mục tiêu Kết thúc trình nghiên cứu đề tài, em đưa số nhận xét sau:  Chương trình mơ thực định tuyến với mục đích tìm đường tối ưu từ node nguồn đến node đích, đường Tuy vậy, để tăng cường hiệu mạng khơng thể đơn chọn tuyến tối ưu mà phải đánh giá tuyến lại để thực phân tải, tránh tình trạng tuyến hoạt động hết cơng suất có tuyến khả thi cịn rỗi  Sau thực định tuyến cho lightpath, phải thực gán bước sóng cho Nếu tồn node mạng không sử dụng chuyển đổi bước sóng tồn tuyến đường từ nguốn đến đích gán bước sóng Tuy nhiên, tài nguyên số bước sóng node mạng có hạn, điều làm xác suất tắc nghẽn cao node mạng không cung cấp bước sóng ràng buộc từ trước Vì thế, mạng ln tìm cách thực định tuyến gán bước sóng cho đạt tối ưu mạng giảm xác suất tắc nghẽn Ngày nay, người ta hướng tới mạng tồn quang mà cơng việc xử lí thực hồn tồn miền quang Mạng toàn quang hứa hẹn đem lại tốc độ cao, giá thành mạng giảm xuống cách đáng kể Đồ án hoàn thành thời gian hạn chế, đặt móng cho việc nghiên cứu phát triển sau này, khơng thể tránh khỏi thiếu sót Hi vọng thời gian tới với kinh nghiệm thực tiễn, em cố gắng hoàn thiện đề tài 67 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 4: Thực mô [1] Nguyễn Đức Nghĩa- Nguyễn Tơ Thành, “Tốn Rời Rạc”, Nhà xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội_2004 [2] http://www.2cool4u.ch/ [3] Senior, John.M, “Optical fiber communications”, Library of Congress Cataloging in Publication Data [4] George N Rouskas, “Routing and Wavelength Assignment in Optical WDM Networks”, Department of Computer Science_2000 [5] Krishna M.Sivalingam, Suresh Subramaniam, “Optical WDM NetworksPrinciples and Practice”, Kluwer Academic Publishers_2000 [6] http://HowStuffWork/HowRoutingAlgorithmsWork [7] “Hệ thống thông tin quang/Vô tuyến”, LG Information and Communication LTD (LGIC) [8] Nguyễn Duy Nhật Viễn, “Kĩ thuật chuyển mạch mạng diện rộng”, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [9] Regis J BUD Bates, “Optical Switching and Networking Handbook”, McGrawHill Companies [10] http://en.wikipedia.org/wiki/Dijkstra’s algorithm [11] http://vi.wikipedia.org/wiki/ [12] Jun Zheng, Hussien T Mousftah, “Distributed lightpath control for wavelength-routed WDM network”, University of Ottawa [13] Jin seek Choi, Nada Golmie, Francois Lapeyrere, Frederic Mouveaux and David Su, “A functional Classification of Routing and Wavelength Assignment Shemes in DWDM networks: Static Case”, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA 68 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 4: Thực mô PHỤ LỤC  Thực thêm biến thực mã lệnh sau: void CAlgorithmsView::OnAddNode() { m_Dijkstra.StartAddNodes(); } void CAlgorithmsView::OnAddEdge() { m_Dijkstra.StartAddEdges(); } void CAlgorithmsView::OnShortestPath() { CShorthestPath dlg; if(dlg.DoModal()==IDOK) // { m_Dijkstra.ShortestPath(dlg.m_node1, dlg.m_node2); } }  Thực vẽ node cạnh mã sau: class CGraph { public: long GetNrNodes(); CGraph(); virtual ~CGraph(); VTYPE_NODE m_nodes; // dãy node 69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 4: Thực mô VTYPE_EDGE m_edges; // dãy cạnh VTYPE_NODE_P d; // array of longs that contain // the shortest path at every step VTYPE_NODE_P pi; // array of longs that contain // the predecessor of each node for the shortest path }; // // // // // // // // // // // // // // class CNode { public: CNode Copy(); double m_cost; // gia tri so long m_NodeNr; // so node POINT m_p; // diem hoa cho node CNode(); virtual ~CNode(); }; // // // // // // // // // // // class CEdge { public: bool m_red; // ve duong di ngan nhat // (neu mot canh la mot phan cua duong di ngan nhat thi no duoc ve mau do) double m_cost; // so cua canh (lay gia tri ngau nhien tu 0-9) long m_secondNode; long m_firstNode; POINT m_secondPct; POINT m_firstPct; CEdge(); 70 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 4: Thực mô virtual ~CEdge(); }; // ve canh bat dau tu node dau den node cuoi  Thuật toán Dijkstra: // The Dijkstra's algorithm STDMETHODIMP CDijkstra::ShortestPath(long node1, long node2) { ReleaseGraph(); InitializeSource(g, g.m_nodes[node1-1]); // Thiet lap S ve rong VTYPE_NODE S; // Dat cac node vao Q VTYPE_NODE Q; VTYPE_NODE::iterator kl; for(kl=g.m_nodes.begin(); kl