Tổng quan Nhu cầu băng thông đang gia tăng một cách nhanh chóng trên mạng Internet với nhiều ứng dụng mới phong phú, chẳng hạn như thương mại điện tử, video theo yêu cầu, hội thảo truyền
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI …………………………………… CAO XUÂN HẢI ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TĨNH TRONG MẠNG QUANG HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PSO LUẬN VĂN THẠC SĨ: NGÀNH XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ HỒNG SƠN HÀ NỘI - 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205161851000000 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ………………………………………………….…………………………… 1 Tổng quan …………………………………………………………………………… Mục tiêu phạm vi luận văn ………………………………………………………… Tóm tắt kết ……………………………………………………………………… Nội dung luận văn ………………………………………………………… Chương I: Tổng quan mạng quang học hệ …………………………… 1.1 Giới thiệu chung …………………………………………… ……………… 1.2 Nguyên lý hoạt động WDM ……………………………………………….7 1.3 Ưu điểm hệ thống WDM ………………………………………………… 1.4 Vấn đề tồn hệ thống WDM hướng giải tương lai …… 1.5 Chuyển mạch quang ………………………………………………………… 1.6 Các thành phần hệ thống WDM ………………………………… 11 1.6.1 Thiết bị đầu cuối OLT ………………………………………………… 11 1.6.2 Bộ ghép kênh xen/rớt quang OADM ……………………………………13 1.6.3 Bộ khuếch đại quang …………………………………………………… 17 1.6.4 Bộ kết nối chéo quang ………………………………………………… 19 1.6.5 Sự chuyển đổi bước sóng ……………………………………………… 25 Chương 2: Tìm hiểu định tuyến gán bước sóng (Routing and Wavelength Assignment - RWA) ………………………………………………………………… 29 2.1 Định tuyến (Routing) ……………………………………………………… 31 2.2 Gán bước sóng ……………………………………………………………… 34 2.3 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM ……………………… 36 2.3.1 Giới thiệu toán ……………………………………………………… 36 2.3.2 Các ký hiệu sử dụng toán ……………………………… 39 Chương 3: Định tuyến gán bước sóng tĩnh cho mạng quang phương pháp tối ưu PSO …………………………………………………………………… ……… 41 3.1 Giới thiệu …………………………………………………………………… 41 3.2 Tối ưu bầy đàn - PSO ……………………………………………………… 42 3.3 Mơ hình hóa vấn đề RWA sử dụng PSO …………………………………… 43 3.4 Tóm tắt lưu đồ giải thuật PSO cho toán RWA………………………… 46 Chương 4: Các kết thực nghiệm ……………………….…………… ……… 47 4.1 Kịch thử nghiệm ……………………………………………………… 47 4.2 Các kết thực nghiệm đánh giá ……………………………………… 47 KẾT LUẬN ………………………………………………………………………… 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………… 51 TÓM TẮT LUẬN VĂN Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Mở đầu Tổng quan Nhu cầu băng thơng gia tăng cách nhanh chóng mạng Internet với nhiều ứng dụng phong phú, chẳng hạn thương mại điện tử, video theo yêu cầu, hội thảo truyền hình… Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Mutiplexing)- cho phép nhiều bước sóng truyền sợi quang riêng lẻ, bước sóng mang tới hàng Gbps - coi cách mạng băng thông mạng xương sống Internet Mạng quang hệ sử dụng công nghệ WDM đưa nhiều hứa hẹn ý nghĩa cho nhu cầu thiết băng thông Trong mạng quang WDM [1], toán chọn đường gán bước sóng RWA, cần xác định đường (routing) nút nguồn nút đích chọn bước sóng (wavelength assignment) liên kết (link) cho yêu cầu kết nối Trong mạng quang khơng có chuyển đổi bước sóng (wavelength converter) nút chuyển mạch, kết nối cặp nguồn đích phải gán bước sóng tất liên kết Điều kiện gọi ràng buộc liên tục bước sóng (wavelength continuity constraint) Đối với mạng quang có chuyển đổi bước sóng điều kiện khơng cần thiết, nhiên chi phí cao phải trang bị thêm chuyển đổi bước sóng Có hai dạng tốn RWA: (1) Bài toán RWA tĩnh thực chọn đường gán bước sóng cho yêu cầu biết trước Các yêu cầu thường cho dạng ma trận lưu lượng biết trước toán tĩnh giải trước triển khai mạng (offline) Mục tiêu tốn RWA tĩnh tối thiểu hóa số nguyên phải dùng (chẳng hạn tối thiểu hóa số bước sóng phải dùng liên kết) tối ưu hóa số yêu cầu đáp ứng (2) Bài toán RWA động thực chọn đường gán bước sóng cho yêu cầu chưa biết trước, đến cách ngẫu nhiên (online) Mục tiêu toán RWA động thường đáp ứng nhiều yêu cầu tốt [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Bài tốn chọn đường gán bước sóng tĩnh [2] minh chứng toán dạng NP đầy đủ - nghĩa khó tìm giải pháp tối ưu thời gian tính tốn đa thức Khi số nút mạng nhỏ, ta áp dụng phuơng pháp tối ưu để tìm xác kết toán, nhiên số nút mạng lớn, phương pháp không khả thi thời gian tính tốn q lớn Trong thực tế, có nhiều giải pháp gần (heuristic) đưa để gải toán này, chẳng hạn phương pháp sử dụng giải thuật di truyền (GA), tối ưu hóa hệ kiến (Ant Colony Optimization ACO), Tabu rearch, tối ưu hóa bầy đàn (Partical Swarm Optimization - PSO) … Thực tế cho thấy giải pháp gần cho kết gần tối ưu thời gian tính tốn chấp nhận Phương pháp tối ưu hóa bầy đàn (PSO) [2, 3] phương pháp tối ưu thích ứng dựa tương tác quần thể xã hội Các cá thể xã hội quan sát hàng xóm chúng cố gắng để phù hợp với công việc tốt hàng xóm chúng Các cá thể quần thể gọi phần tử Hệ thống khởi tạo với tập phần tử, phần giải pháp tiềm ngẫu nhiên toán cần giải Mỗi phần tử sau thực di chuyển gây nên cấu hình phần tử thay đổi chút Các phần tử tiếp tục di chuyển đồng xung quanh cố gắng thể thân tốt so với thể tốt chúng hàng xóm chúng Nhờ vào tương tác mà sau thời gian, phần tử tiến hóa theo hướng gần tới giải pháp tối ưu phần tử tốt quần thể giải pháp cần tìm Mục tiêu phạm vi luận văn Luận văn tập trung vào nghiên cứu hướng tiếp cận PSO cho toán RWA tĩnh, cụ thể cho mạng quang với hình trạng mạng (topology), ma trận lưu lượng (các cặp yêu cầu nguồn - đích) biết, sử dụng thuật tốn dạng PSO để tìm giải pháp chọn đường gán bước sóng cho yêu cầu cho số bước sóng phải sử [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO dụng liên kết tối thiểu (một cách gần đúng) Luận văn tập trung vào mạng quang với điều kiện ràng buộc liên tục bước sóng Với phạm vi trên, mục tiêu luận văn tìm hiểu thuật tốn PSO, tìm hiểu tốn RWA tĩnh thực đánh giá giải pháp PSO cho tốn RWA tĩnh thơng qua việc cài đặt thử nghiệm thuật toán số mạng khác Tóm tắt kết Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, luận văn đạt kết mặt lý thuyết sau: o Tìm hiểu nghiên cứu chung mạng WDM tốn chọn đuờng gán buớc sóng o Tìm hiểu phưong pháp PSO ứng dụng phương pháp toán RWA tĩnh Về thử nghiệm: o Cài đặt thuật toán PSO, đánh giá đưa kết thử nghiệm cho toán RWA tĩnh với số mạng thử nghiệm Nội dung luận văn Luận văn gồm có nội dung sau: o Mở đầu: Tổng quan toán RWA, phương pháp PSO mục tiêu, phạm vi đề tài o Chương I Tổng quan mạng quang học hệ : Nguyên lý hoạt động WDM , Ưu điểm hệ thống , Vấn đề tồn hệ thống WDM hướng giải tương lai, Chuyển mạch quang, Các thành phần hệ thống WDM o Chương Tìm hiểu định tuyến gán bước sóng mạng WDM, tập trung vào tốn RWA tĩnh [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO o Chương Định tuyến gán bước sóng tĩnh cho mạng quang phương pháp tối ưu PSO, chúng tơi trình bày giải pháp PSO cho toán RWA tĩnh đề xuất gần o Chương Các kết thử nghiệm: Trình bày việc cài đặt thuật tốn khảo sát chương ngơn ngữ C/C++ đánh giá hiệu thuật tốn o Kết luận: Tóm tắt kết quả, đánh giá công việc làm hướng phát triển luận văn [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Chương I: Tổng quan mạng quang học hệ 1.1 Giới thiệu chung Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Division Mutiplexing) coi cách mạng băng thông mạng xương sống Internet Nhu cầu băng thông gia tăng cách nhanh chóng với nhiều ứng dụng phong phú, chẳng hạn thương mại điện tử, video theo u cầu, cơng việc địi hỏi hoạt động đồng toàn cầu Mạng quang WDM đưa hứa hẹn ý nghĩa cho nhu cầu thiết Khi sợi quang sử dụng để truyền thơng tin thách thức đặt giai đoạn trước nhu cầu thông tin ngày tăng mạnh mẽ người Khi mà ngày có nhiều người bắt đầu sử dụng mạng liệu lần sử dụng chiếm băng thơng đáng kể ứng dụng thông tin họ chẳng hạn đọc lướt thông tin trang web, ứng dụng sử dụng game online, hội nghị truyền hình, video theo yêu cầu … Từ cho thấy nhu cầu thông tin băng rộng đặt thiết, nhu cầu vượt xa tương lai Hình 1.1 cho thấy gia tăng băng thông mạng khác qua năm Sự phát triển mạnh mẽ chủ yếu triển khai hệ thống thơng tin quang Hình 1.1: Sự gia tăng băng thông mạng khác qua năm [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Để thích ứng với phát triển khơng ngừng thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt thay đổi mạng, công nghệ truyền dẫn khác nghiên cứu, triển khai thử nghiệm đưa vào ứng dụng kĩ thuật TDM, CDM Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM ưa chuộng Điều cơng nghệ TDM có chi phí kĩ thuật thiết bị lắp đặt hệ thống tương đối cao, đặc biệt TDM gây lãng phí số kênh thông tin khe thời gian dự trữ khơng có liệu để gửi phía thu khó khăn phân biệt khe thời gian thuộc kênh để giải ghép kênh tín hiệu Bên cạnh đó, ghép kênh phân chia theo mã CDM tồn hạn chế kĩ thuật tốc độ điều chế suy hao mã hoá giải mã cao WDM tiến lớn công nghệ truyền thông quang, cho phép tăng dung lượng kênh mà khơng cần tăng tốc độ bit đường truyền không cần dùng thêm sợi dẫn quang Hình 1.2: Hệ thống TDM Hình 1.3: Hệ thống WDM Với WDM, kênh với bước sóng khác bước sóng ánh sáng khơng ảnh hưởng lẫn chu kì dao động các kênh khác hoàn toàn độc lập Khác với hệ thống TDM, phần tử kênh WDM hoạt động tốc độ kênh mang đầy dung lượng bước [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO sóng Chương trình bày rõ nguyên lí hoạt động hệ thống WDM thành phần 1.2 Nguyên lý hoạt động WDM Ngày nay, nhu cầu người dịch vụ thông tin băng rộng ngày tăng lên, mạng ghép kênh đa bước sóng WDM thoả mãn nhu cầu Theo kĩ thuật này, luồng ánh sáng với bước sóng khác truyền sợi quang Mỗi bước sóng mang dung lượng điển hình, thuờng 2.5Gbps Hình 1.4: Ngun lí ghép kênh phân chia theo bước sóng Ngun lí ghép kênh theo bước sóng ghép tất bước sóng khác nguồn phát quang vào sợi dẫn quang nhờ ghép kênh MUX truyền dẫn bước sóng sợi quang Khi đến đầu thu, tách kênh quang phân tách để thu nhận lại bước sóng Với ngun lí hoạt động có hai loại truyền dẫn WDM, là: truyền dẫn chiều truyền dẫn hai chiều sợi Hệ thống WDM chiều: có nghĩa tất kênh sợi quang truyền dẫn theo chiều [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang