Thuật toán sinh cột giải bài toán định tuyến và gắn bước sóng tối ưu trong mạng WDM

Vấn đề tìm các tuyến và gán bước sóng cho luồng quang được gọi là bài toán định tuyến và gán bước sóng RWA- Routing and Wavelength Assignment - một trong những bài toán trung tâm trong t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

-o0o -

ĐOÀN THỊ MINH NGUYỆT

THUẬT TOÁN SINH CỘT GIẢI BÀI TOÁN

“ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM”

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

-o0o -

ĐOÀN THỊ MINH NGUYỆT

THUẬT TOÁN SINH CỘT GIẢI BÀI TOÁN

“ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM”

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số : 60 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ TRUNG KIÊN

HÀ NỘI, NĂM 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu và tài liệu được trích dẫn trong công trình này

là trung thực Kết quả nghiên cứu này không trùng với bất cứ công trình nào

đã được công bố trước đó

Tôi chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 6 năm 2017

Đoàn Thị Minh Nguyệt

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy

cô, bạn bè, các anh chị đồng nghiệp, và những người thân trong gia đình Không biết nói gì hơn những gì mình cảm kích, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS Đỗ Trung Kiên, người đã tận tình hướng dẫn,

động viên, trang bị những kiến thức và tài liệu quý báu, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm Hà Nội, đã trực tiếp giảng dạy tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt khóa học để em có thể hoàn thành tốt luận văn

Sau cùng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, các anh chị em và các bạn bè đã luôn giúp đỡ động viên em hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành luận văn nhưng do thời gian và kiến thức có hạn nên chắc chắn luận văn cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy, cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 6 năm 2017

Tác giả

Đoàn Thị Minh Nguyệt

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Lịch sử vấn đề nghiên cứu 1

3 Mục đích nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

6 Phương pháp nghiên cứu 2

7 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG WDM 4

1.1 Giới thiệu về mạng quang 4

1.1.1 Mạng quang thế hệ thứ nhất 5

1.1.2 Mạng quang thế hệ thứ hai 5

1.1.3 Mạng quang thế hệ thứ ba 7

1.1.4 Sơ đồ khối tổng quát mạng WDM 9

1.2 Các phần tử trong mạng quang WDM 12

1.2.1 Thiết bị đầu cuối (OLT) 13

1.2.2 Bộ khuếch đại quang 15

1.2.3 Bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADM) 17

1.2.4 Bộ kết nối chéo quang (OXC) 17

1.3 Kết luận chương 20

CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 21

2.1 Giới thiệu bài toán định tuyến và gán bước sóng 21

2.2 Định tuyến và gán bước sóng 23

2.2.1 Phương pháp định tuyến 25

2.2.2 Các phương pháp gán bước sóng 26

2.2.3 Tô màu đồ thị 28

2.3 Thiết lập đường đi ảo (Virtual path) 29

2.4 Chuyển đổi bước sóng 31

2.5 Các phương pháp định tuyến và gán bước sóng 33

2.5.1 Các phương pháp gần đúng 33

2.5.2 Các phương pháp chính xác 34

2.6 Thuật toán sinh cột……… 41

2.7 Kết luận chương……….42

CHƯƠNG 3: LỜI GIẢI TỐI ƯU CHO BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 42

3.1 Các kí hiệu và định nghĩa 42

3.2 Thuật toán sinh cột cho bài toán RWA 43

3.2.1 Bài toán chính (Master problem) 43

3.2.2 Bài toán con (Pricing problem – PPLINK) 44

3.2.3 Lời giải của bài toán 45

3.3 Cải tiến thuật toán sinh cột cho bài toán RWA 46

3.3.1 Tính đường đi ngắn nhất 46

3.3.2 Lời giải của thuật toán CG+ 47

3.4 Kết quả tính toán 49

3.4.1 Mạng và tập dữ liệu 49

3.4.2 Đánh giá hiệu năng: Chất lượng lời giải 50

3.4.3 Đánh giá hiệu năng: So sánh giữa thuật toán sinh cột với thuật toán cải tiến ……… 51

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

APD Avlanche Photodiode Diod quang kiểu thác

APS Automatic Protection

CDM code-division multiplex Ghép kênh phân chia mã

EDFA Erbium-Doped Fiber

ILP Integer Linear Programming Mô hình quy hoạch tuyến tính

nguyên IPC inter-process communication Cổng kết nối nội bộ

OADM Optical Add/Drop Multipler Bộ ghép kênh xen/rớt quang OLT Optical Line Terminator Thiết bị đầu cuối

OSC Optical Supervision Channel Kênh giám sát quang

OXC Optical Cross Connect Bộ kết nối chéo quang

PLC Plannar Lightwave Circuit Bộ chia quang

ROAM Reconfigurable Optical

Add/Drop Multipler

Cấu hình lại bộ ghép kênh xen/rớt quang

RWA Routing and Wavelength

Assignment Định tuyến và gán bước sóng

Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt

SDH Synchronous Digital

SONET Synchronous Optical

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia thời gian

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóng

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mạng WDM .6

Hình 1.2: Sơ đồ một ROADM bốn mức .8

Hình 1.3: Mạng lưới với các nút đối xứng .9

Hình 1.4: Sơ đồ chức năng của một mạng WDM 10

Hình 1.5: Mạng lưới định tuyến bước sóng 12

Hình 1.6: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OLT 14

Hình 1.7: Bộ khuếch đại quang EDFA 16

Hình 1.8: Vai trò của OADM trong mạng có 3 nút 17

Hình 1.9: Minh họa một mạng dùng OXC 18

Hình 1.10: Các trạng thái của OXC 20

Hình 2.1: Định tuyến và gán bước sóng 23

Hình 2.2 Minh họa mối liên hệ giữa bài toán gán bước sóng và bài toán tô màu đồ thị 29

Hình 2.3: Các đường ảo và đường vật lý 30

Hình 2.4: Sự chuyển đổi bước sóng 31

Hình 2.5: Các khả năng chuyển đổi bước sóng 32

Hình 2.6: Vấn đề đối xứng trong công thức Link và Path 34

Hình 2.7: Minh họa biến 36

Hình 2.8 Sơ đồ khối thuật toán sinh cột 41

Hình 3.1 Thuật toán sinh cột (CG) 45

Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán CG+ 48

Hình 3.3 Sơ đồ mạng NSF và USA 49

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Đặc thù tập yêu cầu kết nối 50

Bảng 3.2 Chất lượng của lời giải 51

Bảng 3.3 So sánh giữa thuật toán sinh cột với thuật toán cải tiến 52

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) được coi là cuộc cách mạng về băng thông trong mạng xương sống Internet và các mạng thế hệ mới khác Nhu cầu băng thông đang gia tăng một cách nhanh chóng cùng với nhiều ứng dụng mới phong phú

Trong lĩnh vực thông tin quang, vấn đề quan trọng là duy trì được mạng quang hiện có và tương lai sẽ xây dựng để tạo thành mạng WDM tốc độ cao, dung lượng lớn đa dịch vụ Trong khi thực hiện mạng, vấn đề then chốt quyết định hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng là quy hoạch hợp lý tài nguyên bước sóng Vấn đề tìm các tuyến và gán bước sóng cho luồng quang được gọi là bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA- Routing and Wavelength Assignment) - một trong những bài toán trung tâm trong thiết kế mạng quang ghép kênh phân chia theo bước sóng

Với sự hỗ trợ của công nghệ hiện đại, các mạng WDM ngày nay có thể hỗ trợ nhiều hơn 300 bước sóng trên một dây cáp quang Đặc trưng này đem tới thách thức mới cho bài toán RWA, một bài toán NP-khó

2 Lịch sử vấn đề nghiên cứu

Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang là một bài toán NP-khó, do vậy đa số các giải pháp đã đề xuất là các lời giải gần đúng Chỉ một số lượng rất nhỏ các thuật toán chính xác được nghiên cứu, tuy nhiên các giải pháp này không khả thi để đưa ra lời giải tối ưu đối với bài toán có kích thước lớn (số bước sóng lên tới 300) trong một thời gian chấp nhận được Trong nghiên cứu này, tôi đưa ra một số giải pháp để tăng tốc độ đi tìm lời giải chính xác cho bài toán Tôi cũng dự kiến đề xuất một số chiến lược song song để tìm lời giải của bài toán với kích thước rất lớn

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Tìm hiểu về mạng WDM, bài toán định tuyến và gán bước sóng

 Các lời giải trước đây cho bài toán RWA

 Tìm hiểu thuật toán sinh cột tìm lời giải chính xác cho các bài toán kích thước lớn

 Cải tiến thuật toán sinh cột giải bài toán RWA

 Sử dụng ngôn ngữ lập trình OPL (Optimization Programming Language) để cài đặt, và đánh giá kết quả thu được

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu các tạp chí và bài báo khoa

học, tài liệu chuyên ngành

- Phương pháp phân tích và tổng hợp dữ liệu: Tìm hiểu, phân tích, tổng

hợp những tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Phương pháp thu thập thông tin: Thu thập dữ liệu một số kiến trúc mạng

Phần 2: Nội dung

Chương 1: Tổng quan về mạng quang WDM

Chương 2: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

Chương 3: Lời giải tối ưu cho bài toán định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

Phần 3: Kết luận và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG WDM

Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày nay tăng lên rất nhanh, đòi hỏi băng thông rất lớn Bên cạnh gia tăng về số lượng, dạng lưu lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi Dạng dữ liệu chủ yếu là lưu lượng Internet Số người sử dụng Internet ngày càng tăng, không chỉ cá nhân

mà những tổ chức, doanh nghiệp cũng dựa vào mạng tốc độ cao để điều hành công việc Những điều này đã tạo ra một nhu cầu sử dụng băng thông lớn, những đường truyền tốc độ cao đáng tin cậy và chi phí thấp Mạng thông tin quang ra đời đã hứa hẹn đáp ứng những nhu cầu trên

Trong chương đầu tiên này, phần 1.1 tôi sẽ trình bày tổng quan về mạng quang, tiếp đó là lịch sử phát triển các thế hệ mạng quang Trong phần 1.2 sẽ trình bày các phần tử trong mạng quang WDM và kết luận chương 1 được trình bày trong phần 1.3

1.1 Giới thiệu về mạng quang

Hệ thống thông tin quang ra đời cùng với những ưu điểm vượt trội của

nó đã và đang áp dụng rộng rãi trên mạng lưới toàn cầu

Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng băng thông lớn, đường truyền tốc độ cao, đáng tin cậy và chi phí thấp, mạng thông tin quang đã ra đời với những khả năng vượt trội như: băng thông khổng lồ (gần 50 Tbps) với tỷ lệ lỗi rất thấp (10-11), suy giảm tín hiệu thấp (khoảng 0.2 dB/km), méo tín hiệu thấp, đòi hỏi năng lượng cung cấp thấp, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, khả năng bảo mật cao,… Bên cạnh dung lượng cao, môi trường quang còn cung cấp khả năng trong suốt Tính trong suốt cho phép các dạng dữ liệu khác nhau chia sẻ cùng một môi trường truyền và điều này rất phù hợp cho việc mang các tín hiệu có những đặc điểm khác nhau Vì vậy, truyền thông quang được xem là một kỹ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng trong tương lai Tuy nhiên, băng thông quang rất lớn đối với một ứng dụng đơn lẻ, nên cần chia sẻ

nó giữa những người sử dụng với nhau bằng cách ghép nhiều kênh trên một đường truyền Các kỹ thuật ghép kênh gồm có: ghép kênh phân chia mã (CDM), ghép kênh phân chia thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Hai kỹ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia thời gian và ghép kênh phân chia bước sóng Do chi phí

kỹ thuật và thiết bị để lắp đặt các hệ thống TDM tương đối cao nên trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽ được ưa chuộng hơn WDM được xem là kỹ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng; không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin đường dài, trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt và đáp ứng mọi loại hình dịch

vụ trong tương lai

1.1.1 Mạng quang thế hệ thứ nhất

Khi nói đến các mạng quang, ta đề cập đến ba thế hệ của chúng Ở thế hệ thứ nhất, sợi quang chủ yếu dùng cho truyền dẫn và cung cấp dung lượng Sợi quang cung cấp tỷ lệ lỗi bit thấp hơn và dung lượng cao hơn so với cáp đồng Tất cả chức năng chuyển mạch và mạng thông minh được điều khiển bằng điện tử, tín hiệu được chuyển sang dạng điện trước khi được xử lý Trong thế

hệ này, mạng quang thường dùng kỹ thuật ghép kênh phân chia thời gian (TDM), được sử dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông

Ví dụ cho các mạng quang thế hệ thứ nhất này là SONET (mạng quang đồng bộ), tương tự với mạng SDH (hệ phân cấp số đồng bộ), cũng như các mạng doanh nghiệp khác như ESCON

1.1.2 Mạng quang thế hệ thứ hai

Ngày nay, chúng ta đã thấy sự triển khai của mạng quang thế hệ thứ hai, nơi mà các chức năng định tuyến, chuyển mạch và mạng thông minh được thực hiện trong miền tín hiệu quang, vì vậy chúng có thể dễ dàng xử lý

lượng dữ liệu lớn hơn tín hiệu điện tử Trong các mạng thế hệ thứ nhất, thiết

bị điện tử ở một nút không những phải điều khiển tất cả các dữ liệu dành cho nút đó mà còn tất cả các dữ liệu đi xuyên qua nó đến các nút khác trong mạng Nếu dữ liệu được định tuyến trong miền quang, tải trọng của các thiết

bị điện ở các nút sẽ giảm đi đáng kể Đây là một trong những lý do chính cho

sự ra đời của các mạng quang thế hệ thứ hai, các mạng này dựa trên kỹ thuật

WDM (Wavelength Division Multiplexing) còn gọi là mạng định tuyến bước

sóng

Hình 1.1 Mạng WDM [11]

Mạng WDM là mạng truyền dẫn tốc độ cao, WDM được áp dụng đồng thời truyền nhiều bước sóng riêng biệt trong một sợi quang Mạng cung cấp

những lightpaths cho người sử dụng, như các thiết bị cuối SONET hoặc các

bộ định tuyến IP Lightpaths là các kết nối quang được mang từ đầu cuối đến

đầu cuối bằng một bước sóng trên mỗi tuyến trung gian Ở các nút trung gian

trong mạng, các lightpaths được định tuyến và chuyển mạch từ tuyến này

sang tuyến khác Trong một số trường hợp, các lightpaths cũng có thể được

chuyển đổi từ bước sóng này sang bước sóng khác dọc theo đường đi

Các phần tử mạng chính cho phép mạng quang hoạt động là các thiết bị đầu cuối quang (OLTs), các bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADMs) và các bộ kết nối chéo quang (OXCs) Cấu tạo, chức năng của những phần tử này sẽ

được trình bày trong phần 1.2

1.1.3 Mạng quang thế hệ thứ ba

Trong các mạng quang WDM, mạng quang thế hệ thứ ba (hay còn gọi

là mạng toàn quang: dữ liệu được truyền từ nguồn đến đích dưới dạng quang,

mà không phải trải qua bất cứ chuyển đổi quang điện nào theo dọc đường đi), với sự ra đời của OADMs cố định cung cấp khả năng tiết kiệm chi phí bằng cách loại bỏ những chuyển đổi quang-điện không cần thiết, nhưng lại có những hạn chế về ứng dụng của chúng Để khắc phục hạn chế đó, các nhà phát triển mạng đã nghiên cứu và đưa ra giải pháp là cấu hình lại bộ ghép kênh xen/rớt quang (ROADM), để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng quang

có thể triển khai có bước sóng một cách linh hoạt Nó ảnh hưởng đến chi phí, hiệu suất và cấu hình linh hoạt của mạng quang Các kỹ thuật được sử dụng bao gồm: chặn bước sóng (wavelength blocking), bộ chia quang (PLC) và chuyển đổi bước sóng chọn lọc (WSS), mặc dù WSS đã trở thành kỹ thuật chủ đạo

Trong khi ROADMs thế hệ đầu tiên chỉ có thể được sử dụng trong kiến trúc vòng Ring hoặc Line, thì ROADMs thế hệ mới dự kiến sẽ hỗ trợ các nút

ở mức cao hơn Đây là điều cần thiết cho việc thiết kế và triển khai các mạng quang trong tương lai Để làm được điều này, ROADMs đa mức độ dựa trên WSS đã được đề xuất và đang hứa hẹn để xây dựng và nâng cấp ROADMs linh động và đầy đủ các chức năng

Hình 1.2: Sơ đồ một ROADM bốn mức [11]

Hình 1.2 cho thấy sơ đồ của một ROADM 4 mức sử dụng các phần tử WSS tại một nút trong mạng Mỗi nút có thể được tiếp cận ở 4 hướng Đông, Tây, Nam, Bắc Các tín hiệu quang đi vào mỗi hướng được phân chia bởi một

bộ chia nguồn (Splitter Power - PS) và sau đó chuyển đến WSSs ở bên ngoài của ba hướng khác và “rớt” cục bộ Mỗi WSS lựa chọn và ghép các bước sóng từ ba hướng khác và trực tiếp “xen” vào hướng mong muốn Hình 1.2a cũng cho thấy rằng các bước sóng riêng lẻ có thể tăng hoặc giảm ở các nút Vì vậy, với kiến trúc này, bất kỳ bước sóng vào một nút có thể được chuyển đến đầu ra của bất kỳ một hoặc nhiều hướng khác Tuy nhiên, điều này là không cần thiết và các nút chuyển mạch bất đối xứng được ưa chuộng trong thực tế Hình 1.2b cho thấy một kiến trúc của một ROADM 4 mức bất đối xứng Trong hình 1.2a, ta có thể vẫn sử dụng 1×4 WSSs và 1×4 PSs, nhưng chỉ một

số các cổng được sử dụng, các cổng còn lại được dành cho việc mở rộng trong tương lai

Các kết nối chuyển mạch giữa bốn hướng bất đối xứng trên ROADM có thể được thể hiện đơn giản bằng các vòng tròn nhỏ ở góc dưới bên phải (hình

1.2b) Ba đường in đậm trong các vòng tròn kết nối hướng truy cập và được gọi là các cổng kết nối nội bộ (IPCs)

Hình 1.3: Mạng lưới với các nút đối xứng

Một mạng dựa trên ROADM có thể được biểu diễn bằng một đồ thị với các nút đối xứng như hình 1.3 Tất cả các tính toán RWA cho các yêu cầu kết nối sẽ được dựa trên mô hình đơn giản các nút bất đối xứng này Khi một

lightpath đi qua một nút bất đối xứng, nó phải đi theo một trong các đường

nội bộ (nét đậm) và nó không thể đi qua nhiều đường nội bộ với một nút cho trước

1.1.4 Sơ đồ khối tổng quát mạng WDM

Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multipexing) là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đến một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân chia (tách kênh) và khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

Tách tín hiệu (Demux)

Hình 1.4: Sơ đồ chức năng của một mạng WDM

Trong một hệ thống WDM để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một sợi quang thì hệ thống WDM phải thực hiện được các chức năng sau:

 Phát tín hiệu: trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là Laser Một số nguồn loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Turnble Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser),… Nguồn Laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rổng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

 Bộ ghép/tách tín hiệu (Mux/Demux): ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp

để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng lẻ tại mỗi cổng đầu ra của

bộ tách tín hiệu Các bộ ghép/tách tín hiệu WDM hiện nay có thể nói đến như:

bộ lọc màng mỏng điện môi, cách từ Bragg sợi, cách từ nhiễu xạ, linh kiện

DMUX

Tx1

Tx2

TxN EDFA

Khuếch đại tín hiệu Ghép tín hiệu

(Mux)

Thu tín hiệu

quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot,… Khi nói đến các bộ tách/ghép WDM, ta xét các tham số sau: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên

âm gần đầu xa,…

 Truyền dẫn tín hiệu: quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu,… Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi, ,)

 Khuếch đại tín hiệu: trong hệ thống WDM bộ khuếch đại được sử dụng chủ yếu là bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên, trên thực tế bộ khuếch đại Raman cũng đã được sử dụng Có ba chế độ khuếch đại là: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Hệ thống WDM khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1dB)

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh

 Thu tín hiệu: thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các

bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

1.2 Các phần tử trong mạng quang WDM

Các mạng WDM cung cấp các kênh quang chuyển mạch mạch từ đầu cuối đến đầu cuối, hay các lightpath, giữa các nút mạng đến người sử dụng Một lightpath bao gồm một kênh thông tin quang, hoặc bước sóng giữa hai nút mạng được định tuyến thông qua nhiều nút trung gian Các nút trung gian

có thể chuyển mạch và chuyển đổi bước sóng Do đó, các mạng này được xem là các mạng định tuyến bước sóng Các lightpath được thiết lập hay kết thúc khi có sự yêu cầu của người sử dụng mạng

Trong phần này, tôi sẽ trình bày các phần tử trong mạng WDM Cấu trúc một mạng WDM gồm có các thiết bị đầu cuối (OLTs), các bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADMs) và các bộ kết nối chéo quang (OXCs) liên kết với nhau qua các kết nối sợi quang (Hình 1.5)

Hình 1.5: Mạng lưới định tuyến bước sóng bao gồm OLTs, OADMs

và OXCs [11]

OLT ghép các bước sóng vào một sợi quang và tách một tập các bước sóng trên một sợi đơn vào các sợi riêng rẽ OLTs được sử dụng ở các đầu cuối của một liên kết WDM điểm nối điểm OADM thu vào các tín hiệu ở nhiều bước sóng và “rớt” có chọn lọc một số các bước sóng này trong khi cho các bước sóng khác đi qua Nó cũng thêm các bước sóng vào tín hiệu ghép đi ra một cách chọn lọc Một OADM có các cổng hai dây nơi các tín hiêu ghép WDM hiện diện và một số cổng nội bộ nơi mà các bước sóng được rớt và xen Một OXC về cơ bản cũng thưc hiện các chức năng như một OADM nhưng với quy mô lớn hơn nhiều OXCs có số cổng lớn (từ vài chục đến vài nghìn) và có thể chuyển mạch những bước sóng từ một cổng vào đến cổng khác Cả OADMs và OXCs đều có thể kết hợp các khả năng chuyển đổi bước sóng bên trong

Ngoài ra, các OLTs, OADMs, OXCs có thể kết hợp các bộ khuếch đại quang bên trong để bù suy hao hoặc các bộ khuếch đại có thể được triển khai dọc theo tuyến liên kết ở các vị trí định kỳ để khuếch đại tín hiệu ánh sáng Ở đây, OLTs được triển khai rộng rãi, OADMs được triển khai ở phạm vi nhỏ hơn và OXCs chỉ mới bắt đầu được triển khai

1.2.1 Thiết bị đầu cuối (OLT)

Thiết bị đầu cuối OLT (Optical Line Terminator) là thiết bị được dùng ở đầu cuối của một liên kết điểm nối điểm để ghép và phân kênh các bước sóng Xét về mặt cấu trúc thì thiết bị đầu cuối là một phần tử mạng tương đối đơn giản Ba phần tử chức năng bên trong một OLT gồm có: bộ tiếp sóng (transponder), bộ ghép kênh các bước sóng (wavelength multiplexer) và bộ khuếch đại (optical amplifier) Bộ tiếp sóng làm nhiệm vụ chuyển tiếp trong mạng, nghĩa là làm cho tín hiệu đi vào từ người sử dụng thành một tín hiệu phù hợp trong mạng Và ở hướng ngược lại, nó cũng làm cho tín hiệu từ mạng quang thành tín hiệu phù hợp với người sử dụng Giao diện giữa người

dùng và bộ tiếp sóng có thể thay đổi phụ thuộc vào người sử dụng, tốc độ bit

và khoảng cách hoặc suy hao giữa người dùng và bộ chuyển tiếp Giao diện phổ biến nhất là SONET/SDH

Hình 1.6: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OLT [11]

Bộ chuyển tiếp này bao gồm nhiều chức năng, tín hiệu có thể chuyển đổi thành bước sóng thích hợp hơn trong mạng quang Các bước sóng được tạo ra bởi bộ tiếp sóng tuân theo các tiêu chuẩn được đưa ra bởi Hiệp Hội Viễn Thông Quốc Tế (ITU) là 1.55 µm, trong khi tín hiệu đến có thể là 1.3 µm Bộ

tiếp sóng có thể thêm vào các phần đầu (overhead) nhằm mục đích quản lý

mạng, cũng có thể thêm vào phần sửa lỗi hướng tới cho các tín hiệu 10Gbps hoặc cao hơn Bộ tiếp sóng điển hình cũng giám sát tỷ lệ lỗi bit của tín hiệu ở các điểm đi vào và đi ra trong mạng Vì những lý do này, bộ chuyển tiếp được thực hiện qua quá trình chuyển đổi quang – điện – quang (O/E/O)

Trong hình 1.6, bộ chuyển tiếp chỉ cho theo hướng đi vào và bước sóng ở hướng ngược lại được gửi trực tiếp đến hướng người dùng Trong một số trường hợp, ta có thể tránh sử dụng bộ tiếp sóng bằng cách thực hiện chức năng chuyển tiếp bên trong thiết bị người dùng, như phần tử mạng SONET ở hình 1.6 trên, điều này làm giảm được chi phí đáng kể

Tín hiệu ra khỏi bộ tiếp sóng được ghép kênh với các tín hiệu khác ở các bước sóng khác nhau sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng trên một sợi

quang Thêm vào đó, bộ khuếch đại quang có thể được dùng để khuếch đại công suất tín hiệu lên nếu cần thiết trước khi chúng được gửi đến bộ phân kênh Những bước sóng này lại được kết thúc trong một bộ tiếp sóng (nếu có) hoặc kết thúc trực tiếp trong thiết bị người sử dụng

Cuối cùng, OLT cũng kết thúc một kênh giám sát quang (OSC) OSC được mang trên một bước sóng riêng lẻ, khác với bước sóng mang lưu lượng thực sự Nó dùng để giám sát thực hiện của các bộ khuếch đại dọc theo liên

kết cũng như cho các chức năng quản lý khác

1.2.2 Bộ khuếch đại quang

Các bộ khuếch đại được triển khai giữa các kết nối sợi quang ở những khoảng cách định kỳ, điển hình từ 80 đến 120km, nhằm bù lại sự suy hao tín hiệu trên đường truyền sợi quang Trước khi các bộ khuếch đại quang ra đời thì lựa chọn duy nhất là tái tạo lại tín hiệu, nghĩa là nhận tín hiệu và sau đó phát lại nó Quá trình này được thực hiện bởi các bộ lặp tái sinh Một bộ lặp truyền tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục lại sau đó chuyển thành tín hiệu quang để truyền tiếp Điều này hạn chế tính trong suốt và làm tăng chi phí bảo trì của hệ thống Kỹ thuật khuếch đại quang chiếm ưu thế hơn nhiều các bộ lặp Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các định dạng tín hiệu Hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ dàng nâng cấp hơn nhiều Hơn nữa các bộ khuếch đai quang có băng thông lớn nên có thể dùng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM, nếu không với mỗi bước sóng ta phải sử dụng một bộ lặp

Loại khuếch đại quang điển hình là bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier – khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium)

Bộ EDFA thực chất là sợi quang pha tạp có chức năng khuếch đại được tín hiệu ánh sáng, chúng có thể thay đổi các đặc tính vật lý của sợi theo nhiệt độ,

Bộ cách ly

áp suất và có tính chất bức xạ ánh sáng Đặc điểm của sợi này là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp

Hình 1.7: Bộ khuếch đại quang EDFA

Theo hình 1.7, ánh sáng bơm vào từ laser được kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép WDM trên hệ thống sử dụng một bộ ghép Ánh sáng này được truyền dọc theo sợi có pha Erbium và tín hiệu bơm này kích thích các ion Erbium lên mức năng lượng cao hơn Sự dịch chuyển mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, do đó sẽ khuếch đại công suất tín hiệu lên rồi truyền đi tiếp trong sợi quang

Thông thường, một bộ cách ly được dùng ở trước ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ khuếch đại EDFA để ngăn sự phản xạ vào trong bộ khuếch đại này EDFA cho hệ số khuếch đại lớn, công suất ra lớn và nhiễu thấp, làm việc ở bước sóng 1500nm Trong các hệ thống thông tin quang, các diode laser bán dẫn công suất cao dùng để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA

Ngoài ra, EDFA có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong cùng một sợi nên nó có thể tăng dung lượng tốc độ lên đến 20Gbps hoặc cao hơn khi sử dụng kỹ thuật WDM

Bộ cách ly

Đầu ra Đầu vào WDM EDF

1.2.3 Bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADM)

Bộ ghép kênh xen/rớt quang (Optical Add/ Drop Multipler – OADM) cung cấp một phương tiện điều khiển lưu lượng trong mạng OADM có thể được dùng ở những vị trí khuếch đại trong các mạng đường dài nhưng cũng

có thể sử dụng như những phần tử mạng độc lập

Hình 1.8: Vai trò của OADM trong mạng có 3 nút [11]

1.2.4 Bộ kết nối chéo quang (OXC)

OADM là những phần tử mạng hữu ích để điều khiển các cấu trúc liên kết mạng đơn giản Một phần tử mạng được yêu cầu thêm vào để điều khiển các cấu trúc mắt lưới phức tạo hơn và số các bước sóng lớn hơn, đặc biệt ở các vị trí trung tâm điều khiển một lưu lượng lớn Phần tử này là bộ kết nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) OXC cung cấp chức năng chuyển mạch và định tuyến để hỗ trợ các liên kết logic giữa hai nút Một OXC làm nhiệm vụ truyền thông tin trên mỗi bước sóng ở đầu vào và nó có thể chuyển

mạch đến một cổng ra riêng biệt Một OXC với N cổng vào – N cổng ra mà các cổng này có khả năng xử lý W bước sóng trên mỗi cổng OXC, là thành

phần mạng chính cho phép cấu hình lại mạng quang, mà ở đó các lightpath có

thể thiết lập và kết thúc khi cần thiết mà không phải được cung cấp cố định OXC được cấu trúc với mạch tích hợp rất lớn và có khả năng kết nối hàng ngàn đầu vào với hàng ngàn đầu ra tạo nên chức năng chuyển mạch và định tuyến Trong thông tin quang, 40 kênh quang có thể được truyền đi trong một sợi đơn, OXC là thiết bị cần thiết để có thể tiếp nhận nhiều bước sóng khác nhau ở các đầu vào và định tuyến các bước sóng này đến các đầu ra thích hợp trong mạng

Hình 1.9: Minh họa một mạng dùng OXC [11]

Quan sát hình 1.9, OXC làm việc kế bên các phần tử mạng SONET/SDH cũng như các bộ định tuyến IP và các chuyển mạch ATM, các thiết bị đầu cuối OLT và các bộ ghép kênh xen/rớt quang Một cách điển hình một số các cổng OXC được kết nối đến các thiết bị WDM, các cổng khác nối đến các thiết bị như là SONET/SDH, ADMs, IP router, ATM switches Vì vậy OXC

cung cấp lưu lượng hiệu quả hơn cho lưu lượng không kết thúc ở hub cũng

như tập hợp lại lưu lượng từ những thiết bị được gắn vào mạng

Một OXC cung cấp nhiều chức năng chính trong một mạng rộng:

 Cung cấp dịch vụ: một OXC có thể dùng để cung cấp các lightpath

trong một mạng lớn một cách tự động, mà không phải thao tác bằng tay Khả năng này trở nên quan trọng khi giải quyết số bước sóng lớn trong một nút

hoặc số nút trong mạng lớn Nó cũng quan trọng khi các lightpath trong mạng

cần cấu hình lại để đáp ứng được sự thay đổi lưu lượng của mạng Các OXC

có thể cấu hình từ xa đảm nhận chức năng này

 Bảo vệ: Chức năng quan trọng nhất của bộ kết nối chéo là bảo vệ các

lightpath khi sợi bị đứt và khi thiết bị gặp sự cố trong mạng Bộ kết nối chéo

là một phần tử mạng thông minh mà có thể phát hiện ra sự cố trong mạng và

nhanh chóng định tuyến lại các lightpath Các bộ kết nối chéo cho phép các

mạng mắt lưới thật sự được triển khai Các mạng này cung cấp hiệu quả sử dụng băng thông mạng một cách đặc biệt so với các mạng vòng Ring, SONET/SDH

 Trong suốt đối với tốc độ bit: Khả năng chuyển mạch các tín hiệu

với tốc độ bit và các định dạng khung tùy ý

 Giám sát thực hiện, định vị lỗi: Các OXC cho thấy tham số của một

tín hiệu ở những nút trung gian, OXC cho phép kiểm tra thiết bị và giám sát các tín hiệu đi xuyên qua nó

 Chuyển đổi bước sóng: Ngoài việc chuyển mạch một tín hiệu từ cổng

này sang cổng khác, OXC cũng có thể kết hợp thêm khả năng chuyển đổi bước sóng bên trong

 Ghép kênh: Các OXC điều khiển các tín hiệu ngõ vào và ngõ ra ở tốc

độ đường dây quang Tuy nhiên, chúng có thể xác nhập các khả năng ghép kênh để chuyển mạch lưu lượng nội tại, như luồng STS-1 (51Mbps) Lưu ý rằng ghép kênh phân chia thời gian được thực hiện trong miền điện tử và thực

sự là ghép kênh SONET/SDH, nhưng xác nhập trong bộ OXC không phải là trong một SONET/SDH riêng rẽ

Một OXC được phân theo chức năng thành một trung tâm chuyển mạch

và một khu liên hợp cổng Trung tâm chuyển mạch chứa bộ chuyển mạch mà

nó thực hiện chức năng kết nối chéo thực sự Khu liên hợp cổng chứa các card được dùng như các giao diện để liên lạc với các thiết bị khác Các cổng giao tiếp có thể bao gồm các bộ chuyển đổi quang-điện (O/E), điện-quang (E/O) hoặc không

Một phần tử kết nối chéo cơ bản 2×2 gửi các tín hiệu quang từ hai ngõ

vào đến hai ngõ ra và có hai trạng thái: cross state và bar state Trong cross

state, tín hiệu từ cổng vào phía trên được gửi đến cổng ra phía dưới và tín

hiệu từ cổng vào phía dưới được gửi đến cổng ra phía trên Trong bar state,

tín hiệu từ cổng vào phía trên được gửi đến cổng ra phía trên và tín hiệu từ cổng vào phía dưới được gửi đến cổng ra phía dưới

Hình 1.10: Các trạng thái của OXC

1.3 Kết luận chương

Qua chương 1 này, tôi đã giới thiệu khái quát về hệ thống thông tin quang và quá trình phát triển mạng quang qua ba thế hệ của nó, chức năng của các phần tử cơ bản trong mạng quang Hệ thống thông tin quang dựa vào những ưu điểm vượt trội của mình đang phát triển mạnh mẽ đáp ứng nhu cầu thông tin băng rộng hiện nay

CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG

TRONG MẠNG WDM

Bài toán định tuyến và gán bước sóng là bài toán trung tâm trong thiết kế mạng quang WDM Có vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa tốc độ của mạng Trong chương này, tôi sẽ giới thiệu chi tiết về bài toán định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM (trong mục 2.1) Các phương pháp định tuyến và gán bước sóng và một số vấn đề liên quan được trình bày trong mục 2.2 Trong mục 2.3 trình bày về thiết lập đường đi ảo, mục 2.4 trình bày sự chuyển đổi bước sóng Tôi đưa ra những giải pháp đã đề xuất trước đây để giải quyết bài toán này ở trong mục 2.5, sau đó trình bày khái quát về thuật toán sinh cột để giải bài toán quy hoạch tuyến tính nguyên trong phần 2.6 Và cuối cùng là mục 2.7 tổng kết chương 2

2.1 Giới thiệu bài toán định tuyến và gán bước sóng

Trong mạng quang định tuyến bước sóng, tín hiệu được truyền đi từ nguồn đến đích dưới dạng quang thông qua các kết nối trung gian, đường đi

của các tín hiệu này được gọi là các lightpath Một lightpath có thể kéo dài

qua nhiều tuyến truyền dẫn để cung cấp một kết nối “chuyển mạch mạch” giữa hai nút mà có thể chứa một luồng lưu lượng lớn giữa chúng và có thể được định vị cách xa trong cấu trúc liên kết mạng vật lý Các ràng buộc kỹ thuật của mạng WDM cho phép trong một sợi quang có thể hỗ trợ một số giới

hạn các kênh Vì vậy, chỉ có một số giới hạn các lightpath có thể được thiết lập trên mạng Khi một tập các lightpath được chọn và xác định, ta cần phải định tuyến mỗi lightpath này trong mạng và gán cho nó một bước sóng Đây

được gọi là bài toán Định tuyến và gán bước sóng (RWA – Routing and Wavelength Assignment)

Xét bài toán RWA trong hai mạng là mạng không có chuyển đổi bước sóng hoặc mạng với bộ chuyển đổi bước sóng tại các nút Có nghiên cứu đã chỉ ra rằng chuyển đổi bước sóng không giúp ích gì nhiều để giảm chi phí khi

số lượng các bước sóng lớn Do đó, ở đây chúng ta chỉ xét bài toán RWA với giả thiết là bước sóng liên tục, tức là cùng một bước sóng được sử dụng từ nguồn đến đích cho tất cả các yêu cầu kết nối Bài toán RWA có thể được phát biểu như sau:

 Đầu vào: một mạng với một tập các nút mạng liên kết với nhau bởi các cạnh, một số giới hạn các bước sóng và tập các yêu cầu kết nối

 Đầu ra: thiết lập các lightpath, định tuyến xác định đường đi cho mỗi lightpath và xác định số bước sóng nên được gán cho những lightpath này

 Điều kiện:

 Điều kiện tính liên tục bước sóng cho hệ thống mạng không cần chuyển đổi bước sóng: một lightpath phải sử dụng chung một bước sóng trên tất cả các liên kết dọc theo đường đi của nó từ nguồn đến đích

 Điều kiện tính riêng biệt về bước sóng: nếu hai hoặc nhiều lightpath chia sẻ một liên kết chung, thì mỗi lightpath phải được gán một bước sóng riêng biệt

 Mục tiêu:

 Max-RWA: Số lượng các kết nối được chấp nhận là lớn nhất Mục tiêu này phù hợp nhất khi không có đủ các bước sóng để đáp ứng tất cả các yêu cầu kết nối

 Min-RWA: Thiết lập tất cả các yêu cầu kết nối bằng cách sử dụng tối thiểu số lượng các bước sóng

Cả hai bài toán min-RWA và max-RWA đều là bài toán NP-khó, tức là không tồn tại thuật toán đa thức để giải quyết bài toán này

Hình 2.1: Định tuyến và gán bước sóng

Hình 2.1 là một ví dụ minh họa của định tuyến và gán bước sóng trong mạng Mạng vật lý bao gồm 10 nút và 12 cạnh (là các đường cáp quang trong thực tế) Có 3 yêu cầu nối kết từ tới , tới và tới Các yêu cầu này được định tuyến và gán bước sóng như trên hình vẽ Với phân bố này thì

các lightpath đều đảm bảo tính liên tục bước sóng, tuy nhiên vi phạm tính

riêng biệt các bước sóng, cụ thể:

Các kết nối giữa ( ; ) và ( ; ) bị vi phạm tính riêng biệt bước sóng

vì chúng sử dụng chung một cạnh và được gán cùng một bước sóng

2.2 Định tuyến và gán bước sóng

Trong một mạng không có bộ chuyển đổi bước sóng, các lightpath phải

sử dụng cùng một bước sóng từ nguồn đến đích Khi có nhu cầu cho một cuộc gọi, bộ định tuyến bước sóng (WR) phải sử dụng một giải thuật đã được thiết lập từ trước để chọn một cổng ra và gán cho nó một bước sóng tương ứng Sự chọn lựa bước sóng đóng một vai trò quan trọng đối với toàn bộ xác suất tắc