DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM CHƯƠNG 3_3 potx

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM CHƯƠNG III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG j = [(i-1)mod N ] + 1, i  {1, 2, …, N}, j {1, 2, …, N } (4.13) Khung kết quả sẽ gồm (N-1) khe và đảm bảo tính kết nối hoàn toàn. Dung lượng C của cả hai mạng được định nghĩa theo công thức C = N (4.14) 1 +  Dung lîng tæng 10 1 10 0 10 2 0 50 100 150 200 250 300 AWG PSC 10 3 Sè lîng node m¹ng N Hình 3.17 Dung lượng tổng và số lượng node mạng N (Tốc độ đường là R= 2.5Gb/s) Trong đó N thể hiện số lượng node truyền thông đồng thời, thời gian được bình thường hoá thành thời gian truyền dẫn gói tin và  biểu thị thời gian chuyển đổi bộ thu phát đã bình thường hoá. Dung lượng mạng bằng với số lượng tối đa node truyền thông đồng thời tại thời điểm bất kỳ. Trong phần 3.2.3.1 đã chỉ ra rằng trễ chuyển đổi bộ thu phát có ảnh hưởng lớn lên dung lượng mạng. Hình 3.17 thể hiện ảnh hưởng của tổn hao chuyển đổi của các loại bộ thu phát khác nhau lên dung lượng tổng của các mạng đơn chặng dựa trên PSC và AWG như là hàm của số lượng node N. Với một độ rộng kênh bằng 100GHz (0,8nm tại 1,55m) và chiều dài gói tin 10 4 bit thì tính không liên tục trên hình thể hiện việc bắt buộc phải chuyển đổi từ công nghệ quang điện sang quang âm và cơ để tăng N và do đó làm tăng dải chuyển đổi bộ thu phát hơn nhiều. Chúng ta thấy rằng mạng đơn chặng dựa trên AWG hơn hẳn mạng dựa trên PSC về mặt dung lượng tổng. Nhờ tái sử dụng bước sóng theo không gian nên các bộ thu phát chuyển đổi nhanh với thời gian chuyển đổi vài ns có thể được sử dụng lên tới xấp xỉ N=300 node. Ngược lại với N=300 trên mạng đơn chặng dựa trên PSC mỗi node phải sử dụng các bộ thu phát cơ học. Chúng cung cấp dải chuyển đổi đủ rộng nhưng lại có thời gian chuyển đổi lên tới vài ms. Thời gian chuyển đổi mào đầu này làm giảm đáng kể dung lượng mạng đặc biệt là tại tốc độ cao khi mà thời gian truyền dẫn gói tin rất nhỏ. Hơn thế mạng dựa trên PSC không có khả năng cung cấp nhiều hơn N=626 node truyền thông đồng thời do giới hạn của dải chuyển đổi mà các bộ thu phát chuyển đổi được cơ học có thể thực hiện được. Trong khi trong một mạng dựa trên AWG có khả năng có N = 32 2 = 1024 node truyền thông đồng thời mà vẫn sử dụng các bộ thu phát quang âm với thời gian chuyển đổi vài s. 3.2.3.3 Phân tích Trong phần này chúng ta sẽ xem xét tới các node không liên tục có dữ liệu để gửi. Điều này dẫn tới độ tận dụng kênh nhỏ hơn và một thông lượng tổng nhỏ hơn dung lượng mạng. Chúng ta sẽ xem xét hiệu năng trễ - thông lượng của cả hai mạng đơn chặng dựa trên PSC và AWG đối với lưu lượng dữ liệu ngẫu nhiên. Đối với phân tích hiệu năng trễ - thông lượng thì phương pháp phân tích giao thức phân bổ đích/nguồn được thay đổi một chút để cung cấp tái sử dụng bước sóng theo không gian và tổn thất gói tin. Có N node truyền thông đồng thời trong N bước sóng trong trường hợp AWG và trên N bước sóng trong trường hợp PSC. Mỗi node có thể phát/thu một gói tin tại một thời điểm trên/từ bất cứ một bước sóng nào. Tất cả các node có N bộ đệm gói tin, một cho quá trình thu và N-1 còn lại cho phát. Do vậy, các kết nối bên trong giữa mỗi cặp node có thể thực hiện một cách độc lập. Mỗi bộ đệm thể hiện một người dùng (ảo) độc lập (i,j) 1i,jN. Chiều dài gói tin được giả thiết là hằng số thời gian được bình thường hoá thành thời gian truyền dẫn gói tin. Thời gian được chia thành các chu kỳ (giống với các khung đã được đề cập ở trên). Mỗi chu kỳ gồm N-1 khe. Mỗi khe bao gồm thời gian truyền dẫn gói tin và thời gian chuyển đổi bộ thu phát được được bình thường hoá . mỗi cặp người dùng ảo được gán một khe thời gian trong một chu kỳ. Quá trình đến được giả thiết tuân theo quá trình poisson với tốc độ đến trung bình là  gói tin trong một đơn vị thời gian cho một người dùng. Một người dùng rỗi được định nghĩa là một người dùng có bộ đệm rỗng và một người dùng dự trữ được định nghĩa là một người dùng với một gói tin cho truyền dẫn. Các gói tin đang đến sẽ bị loại bỏ nếu như người dùng là dự trữ nghĩa là nếu như bộ đệm là đầy. Lưu lượng giữa bất cứ một người dùng nào được giả thiết là có cùng tốc độ đến trung bình . Ma trận phân bổ U(t) là một ma trận NxN có các phần tử u ij (t) thể hiện số kênh trên đó người sử dụng (i,j) có thể truyền dẫn trong khe thời gian t với t = 1,2,…(N-1). Và 1i,jN. W(t) là một ma trận nhị phân với w ij (t) = Ind(u ij (t) > 0), với: Ind(u ij (t) > 0) = 1, nếu u ij (t) > 0 0, trong các trường hợp còn lại Ma trận phân phối U(t) thoả mãn các điều kiện sau:   i ij tw )(  1, tức là không có nghẽn thu xuất hiện.     i j ij tw )( = N, tức là số lượng truyền dẫn đồng thời bị giới hạn là N.  Trong trường hợp của PSC, mọi w ij (t)  0; u ij (t)  u kl (t) nếu i  k và j  l, tức là không có nghẽn kênh xuất hiện.  Trong trường hợp của AWG, mọi w ij (t)  0; u ij (t)  u kl (t) nếu [ N i ] = [ N k ] Và i  k, j  l, tức là không có nghẽn kênh xuất hiện.   j ij tw )(  1, tức là một node có thể truyền trên nhiều nhất là một bước sóng. Khả năng thông của người dùng (i, j), được định nghĩa là số lượng các gói được truyền thành công của người dùng (i,j) trong một khe được biểu diễn như sau: S ij = )1).(1( 1  N )(.)( 1 1 ttw ij N t ij     (4.16) Trong đó  ij (t) là xác suất ổn định mà người dùng (i,j) bận (gói trong bộ đệm) tại thời điểm bắt đầu của khe thời gian t. Vì vậy, khả năng thông của hệ thống, được định nghĩa là tổng số gói được truyền thành công trong một chu kỳ, và được biểu diễn như sau: S =    i j ij S (4.17) Để tính tổng khả năng thông ta sử dụng ij  (t). Xác suất ij  (t) có thể được xem xét như là một hàm của xác suất ij  (t-1), tốc độ đến trung bình của gói và ma trận W(t): ij  (t) = [1- ij  (t-1)](1 – e - )1(    ) + ij  (t-1)[1 – w ij (t-1)] (4.18) = ij  (t-1)[e )(   t - w ij (t-1)] + (1 - e )1(   ), 2  t  (N-1) (4.19) Theo tính đệ qui ta có ij  (t) = ij  (1) )1()]([ )1( 1 1 )1(        ekwe t k ij . {         1 2 1 )1( )]([ t t t lk ij kwe  + 1}, 2   t (N-1) (4.20) Giả sử hệ thống ổn định, có ta cân bằng: ij  (N) = ij  (1) (4.21) Thay (4.21) vào (4.20) ta có ij  (1) = (1- e )1(   )              1 1 )1( 1 2 1 )1( )]([1 1)]([ N k ij N t N lk ij kwe kwe   (4.22) và với 2  t  (N-1) ta có ij  (t) = (1- e )1(   ) 11 (1 ) 2 1 (1 ) 1 [ ( )] 1 1 [ ( )] NN ij l k l N ij k e w k e w k                     1 (1 ) 1 [ ( )] t ij k e w k l t - - + = - Õ + (1- e )1(   ).{ 1 1 (1 ) 2 [ ( )] 1 t t ij k ll e w k l t - - - + == - + å Õ } (4.23) Trễ gói trung bình của người dùng (i, j), được định nghĩa là thời gian trung bình giữa hai gói đến tại người dùng (i, j) và khởi đầu của truyền dẫn này được biểu diễn bởi: D ij = ij ij S Q (4.24) Trong đó Q ij là thời gian bận trung bình của người dùng (i, j). Để tính trễ gói trung bình trong hệ thống, ta đặt: D = ij i j ij D S S .    (4.25) Để tính toán Q ij ta định nghĩa :  r ij : số lượng truyền dẫn được phép trong một chu kỳ (lưu ý rằng trong xem xét này thì cơ chế phân phối kênh r ij = 1, 1  i, j N)  Khoảng rỗi ij: là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà người dùng (i,j) được quyền truy nhập hay là giữa lần được cấp quyền và đường biên chu kỳ.  n ij : số khoảng rỗi ij của người dùng (i, j) trong một chu kỳ phân phối.  S ijl : là số lượng khe rỗi trong l khoảng rỗiij (1 l  n ij ) Đầu tiên chúng ta sẽ tính toán Res(s ijl ,  ) tức là giá trị mong muốn của phần dư thời gian người dùng (i, j) bận trong l khoảng rỗi với chiều dài s ijl khe. Res(s ijl,  ) = dtets t s ijl ijl        )1( 0 ])1([ (4.26) =    1)1( )1(   ijl s se ijl (4.27) Q ij là giá trị thời gian bận trung bình của người dùng (i,j) trong mỗi khoảng rỗi Q ij = )1.( ),(Re . )1( 1      ijl ijl n k ij ijl s ss rN s ij (4.28) = (1 ). 1 (1 ). 1 [( 1) ] (1 ) Þl Þ s n ijl k ij e s N r                 (4.29) Vì vậy, sử dụng phương trình (4.17) và (4.25) có thể tính toán được khả năng thông của mạng và trễ hàng đợi trung bình. Xác suất va chạm là xác suất một gói đến một node bận. Giả sử lưu lượng của tất cả người dùng đồng nhất như nhau. Vì vậy, bất kì người dùng ảo (i, j) đều được xem xét. Sử dụng (4.22) và (4.23) xác suất va chạm có thể được tính như sau: P B =     1 1 )( 1 1 N t ij t N  (4.30)  Tính toán với một số thông số Chúng ta so sánh mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC về mặt thông lượng, trễ và tổn thất gói tin với số lượng node truyền thông đồng thời N khác nhau. Nhắc lại rằng trong mạng dựa trên AWG chỉ cần N bước sóng trong khi mạng PSC cần N bước sóng. Độ rộng kênh được giả thiết là 200GHz (1,6nm tại 1,55m). Các bộ thu phát quang điện chuyển đổi nhanh được giả thiết là có dải chuyển đổi 10nm và thời gian chuyển đổi 10ns trong khi các bộ thu phát quang âm có dải chuyển đổi 100nm với thời gian chuyển đổi 10s. Kết quả, các bộ thu phát chuyển đổi nhanh có thể triển khai khi số lượng bước sóng không lớn hơn 7. Nếu không các bộ thu phát quang âm hoặc cơ chuyển đổi được phải được sử dụng. Các gói tin được giả thiết có kích thước cố định 10 4 bit, được truyền/thu ở tốc độ tuyến là 10Gbit/s. Do đó thời gian chuyển đổi bình thường hoá  sẽ bằng 10 -2 cho các bộ thu phát quang điện và bằng 10 cho các bộ thu phát quang âm. Cần nhắc lại rằng các bước sóng được gán theo lược đồ TDM vòng lặp gán khe. mỗi khe gồm thời gian truyền dẫn gói tin và thời gian chuyển đổi bộ thu phát. Để thể hiện chúng ta biểu diễn các điểm với cho các giá trị nhỏ của N {4,9,16}. Như chúng ta sẽ thấy khi tăng N sự khác biệt hiệu năng giữa mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC sẽ trở lên rất rõ. Hình 3.18 thể hiện thông lượng (được cho dưới dạng các gói tin/thời gian truyền dẫn gói tin) và tốc độ đến trung bình  (dưới dạng gói tin/thời gian truyền dẫn gói tin). Mạng dựa trên AWG rõ ràng hơn hẳn mạng dựa trên PSC. Với N=4 số lượng bước sóng cần thiết là đủ nhỏ để sử dụng các bộ thu phát chuyển đổi nhanh trong cả hai mạng. Với N{9,16}, ngược lại, các bộ thu phát quang điện chỉ được sử dụng trên mạng AWG. Trong mạng dựa trên PSC phải sử dụng các bộ thu phát quang âm có trễ chuyển đổi lớn hơn nhiều so với bộ thu phát quang điện. Kết quả là độ tận dụng kênh giảm đáng kể dẫn tới giảm thông lượng tổng. Nói chung, thông lượng tổng tăng theo . Chú ý mạng dựa trên PSC sẽ bão hoà sớm hơn (nghĩa là tại tải lưu lượng thấp hơn). Có điều này bởi vì khe thời gian dài hơn dẫn tới chiều dài trong một khung một người sử dụng sẽ có nhiều khả năng bị nghẽn (dự trữ=nghẽn) khi mà khe thời gian tương ứng được gán cho nó. Nhờ thời gian chuyển đổi không đáng kể của các bộ thu phát quang điện nên thông lượng tổng tối đa của mạng AWG là xấp xỉ bằng N. Nó bằng với dung lượng của mạng. Với N lớn hơn thì thông lượng tăng trong cả hai mạng vì có nhiều bước sóng hơn sẽ dẫn tới mức độ đồng bộ cao hơn và dẫn tới thông lượng tổng được tăng lên. Hơn thế, sự bão hoà xảy ra tại tải thấp hơn vì chiều dài khung là dài hơn. Với N lớn hơn (nghĩa là khung dài hơn) một người sử dụng có nhiều kn bị nghẽn khi khe tương ứng được phân bổ cho nó. Cần chú ý rằng sự khác biệt thông lượng giữa hai loại mạng đơn chặng trở nên rõ ràng hơn khi tăng N. Hình 3.18 Tổng khả năng thông (các gói/thời gian truyền một gói) và tốc độ đến trung bình (gói/thời gian truyền dẫn một gói) Trong hình 3.19 thể hiện trễ hàng đợi trung bình (dưới dạng thời gian truyền dẫn gói tin) và tốc độ đến trung bình  (dưới dạng thời gian truyền dẫn gói tin/gói tin) đối với các gói tin không nghẽn. Một lần nữa mạng dựa trên AWG rõ ràng hơn hẳn mạng dựa trên PSC đặc biệt với N lớn. Trong cả hai mạng trễ hàng đợi trung bình đều tăng và sự bão hoà xảy ra sớm hơn khi N tăng vì kích thước của khung tăng lên. Với tải cao trễ hàng đợi trung bình trong cả hai mạng tiếp cận giá trị tối đa. Giá trị này bằng với chiều dài khung (N-1)x(1+). Chú ý rằng trễ hàng đợi trung bình bị chặn trên vì mô hình phânn tích của chúng ta giả thiết sử dụng các bộ đệm gói tin riêng cho mỗi người sử dụng. Nếu bộ đệm đó đã chứa một gói tin thì gói tin mới đang đến sẽ bị loại bỏ và không được bổ sung vào trễ hàng đợi trung bình. Tængkh¶ n¨ng th«ng 0.5 0.0 1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 PSC AWG PSC  AWG N = 9 N = 16 N = 4 Tèc ®é ®Õn trung b×nh 10 12 14 16 PSC AWG PSC  AWG N = 16 Hình 3.19 Hàng đợitrung bình (thời gian truyền một gói) và tốc độ đến trung bình (gói/thời gian truyền dẫn một gói) Hình 3.20 thể hiện trễ hàng đợi trung bình (thời gian truyền dẫn gói tin) và thông lượng tổng (các gói tin/trễ thời gian truyền dẫn gói tin) cho các gói tin không bị nghẽn. Hình cũng chỉ ra rõ ràng rằng với N mạng dựa trên AWG hơn hăng mạng dựa trên PSC ở các khía cạnh thông lượng và trễ. Xác suất nghẽn theo hàm của tốc độ đến trung bình  (gói tin/thời gian truyền dẫn gói tin) được thể hiện trong hình 3.21. Chúng ta thấy rằng với N  {9,16} các node nghẽn trong mạng PSC chịu trễ hàng đợi trung bình lớn hơn so với mạng AWG. Kết quả là trong mạng PSC các gói tin mới đến sẽ thấy các bộ đệm dường như đã đầy với xác suất cao hơn so với mạng AWG. Điều này lại dẫn tới xác suất nghẽn cao hơn. Với N xác suất lỗi tăng sớm hơn vì kích thước của khung tăng. trung b×nh 100 120 140 160 PSC AWG PSC  AWG N = 16 180 Chú ý rằng với các hệ thống ngoài thực tế các tỷ lệ tổn thất gói tin cao như vậy là không thể chấp nhận được. Có ba giải pháp cho vấn đề này: - Hệ thống chỉ chạy ở tải lưu lượng thấp. Xu hướng này không hấp dẫn vì tại tải thấp thì thông lượng tổng cũng thấp. - Các bộ đệm gói tin duy nhất được thay thế bởi các bộ đệm lớn hơn. Để làm được như vậy, các tin đang đến được lưu trữ lại, dẫn tới xác suất nghẽn thấp hơn trong khi vẫn cung cấp một thông lượng chấp nhận được.Được xem xét sau - Giải pháp thứ 3 là biến đổi dạng lưu lượng Biến đổi lưu lượng có mục tiêu làm giảm tính bùng nổ của lưu lượng đến sao cho thời gian đến trở nên có tính xác định. Có thể dễ dàng thực hiện điều này bằng cách sử dụng phương pháp “gáo dò”. Phương pháp này đưa các gói tin vào mỗi bộ đệm của một node với tốc độ không đổi. Tốc độ truyền dẫn của bộ biến đổi phải không lớn hơn tốc độ dịch vụ cho mỗi người sử dụng để [...]... 2 c nhn thnh cụng bi tt c cỏc node Trong vớ d minh ha, gúi iu khin cú ớch l node 7 v yờu cu mt kờnh vi 5 khe trong mt chu k Thc hin thut toỏn x lớ c gi s trong 2 khe Gúi d liu c truyn trờn kờnh kh dng u tiờn ti thi im sm nht cú th Do ú, gúi d liu c gi trờn bc súng 2 trong sut khung 1 ca chu k 2 Node 2 lp li gúi iu khin trong mi chu k cho n khi mch c gii phúng Vỡ trong vớ d ca chỳng ta khụng cú bt... trc phc v trc v first fit trong mt ca s lp biu hn ch Sau khi nhn gúi iu khin thnh cụng, thut toỏn x lớ s lp biu truyn dn cho gúi d liu tng ng trong D khung D khung ny khụng cn thit phi trựng vi ng bao mt chu k Gúi d liu c gi trong khe u tiờn cú th s dng bc súng kh dng thp nht Nu khụng cú cỏc khe kh dng trong D khung, gúi d liu khụng c truyn v node ngun phi truyn li gúi iu khin trong chu k k tip Cỏc node... lng khe yờu cu trong mt chu k S dng mt tp cỏc bit trong trng kiu, node ngun ch th s lng khe phi c dnh trc trong mt chu k Sau khi nhn gúi iu khin, kờnh c thit lp bng vic chn cỏc khe u tiờn cú th ti bc súng kh dng thp nht Cỏc khe c dnh trc trong mt chu k nh cho n khi kt ni c kt cui Kt cui chuyn mch kờnh lm vic nh sau Gi s node i, 1iN, thit lp mt kờnh cú ngha l node i cp mt s khe xỏc nh trong mt chu k... b kt hp chim cỏc kờnh Sau ú, trong mi chu k node i lp li gúi iu khin trong khe (j+1) ca ca s t trc tng ng kt cui kờnh, node i ch n gin dng vic phỏt li gúi iu khin Trong cỏch ny, tt c cỏc node khỏc nhn thy rng kờnh c kt cui v khe tng ng tr thnh ri Lu ý rng, trong sut thi gian chim mt kờnh thỡ cỏc kờnh khỏc cú th b loi b Vỡ vy, khe tng ng gi l khe k, 1 k (j+1), tr nờn ri Trong khi ú, tt c cỏc khe vi... trc tng ng ch th s tn ti ca cỏc kờnh trong khi (M-j) khe cũn li ri v c s dng cho t trc Mt node gi mt gúi iu khin gi ti mt trong cỏc khe (j+1), (j+2), , M mt cỏch ngu nhiờn Vỡ vy, trong khi cỏc kờnh c thit lp thỡ khụng cú c M khe kh dng dnh trc nờn tng nghn trong kờnh ALOHA phõn khe Tuy nhiờn, mi node ch phi iu khin kờnh iu khin cho ti khi gii phúng kờnh m khụng phi duy trỡ v cp nht thi gian sng cho mi... Mi khung bao gm M khe u, 1M . THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM CHƯƠNG III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG j = [(i-1)mod N ] + 1, i  {1, 2, …, N}, j {1, 2, …, N } (4. 13) Khung. được. Trong khi trong một mạng dựa trên AWG có khả năng có N = 32 2 = 1024 node truyền thông đồng thời mà vẫn sử dụng các bộ thu phát quang âm với thời gian chuyển đổi vài s. 3. 2 .3. 3 Phân. lượng mạng bằng với số lượng tối đa node truyền thông đồng thời tại thời điểm bất kỳ. Trong phần 3. 2 .3. 1 đã chỉ ra rằng trễ chuyển đổi bộ thu phát có ảnh hưởng lớn lên dung lượng mạng. Hình 3. 17