Định tuyến và gán bước sóng tĩnh trong mạng quang học bằng phương pháp pso

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 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 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO khơng đủ chi phí để thiết lập mạng trở nên đắt cồng kềnh Mặt khác số bước sóng sử dụng đường hạn chế Vì nên có hạn chế số lượng đường quang thiết lập mạng Vì vấn đề đặt cho mơ hình mạng, tập bước sóng cho trước, cần định tuyến hay gán bước sóng cho đường quang để số lượng đường quang thiết lập lớn nhất; toán tương đương cho tập kết nối cần thiết, gán bước sóng cách thích hợp để số lượng bước sóng gán Để giải vấn đề trên, em mơ hình hóa tốn thành tốn tối ưu hóa giải tốn tối ưu Sau sâu vào việc mơ hình hóa tốn để tìm thuật toán tối ưu để giải Một cách tổng quát, toán RWA chia thành hai toán toán định tuyến ( Routing) tốn gán bước sóng (Wavelength Assignment), cụ thể nữa, toán lại chia làm hai chức chức tìm kiếm chức lựa chọn minh họa hình 3.1 Hình 3.1 : Các lớp hàm thuật toán RWA a Các chức thuật tốn định tuyến [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 37 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Đối với mạng lớn có nhiều nút khơng gian tìm kiếm cho tốn định tuyến tăng theo cấp hàm mũ với số lượng nút liên kết Vì việc tìm kiếm dựa tất cặp nguồn-đích khơng thực tế Do lí này, chức định tuyến chia làm hai thành phần chức tìm kiếm chức lựa chọn  Chức tìm kiếm Chức tìm kiếm thực theo thuật tốn tìm đường ngắn (shortest-path) biến thể như:  Shortest Path (SP): thuật tốn tìm kiếm tìm đường ngắn từ nút nguồn đến nút đích đồ thị Đường ngắn hiểu theo nghĩa chi phí từ nút nguồn đến nút đích ngắn Chi phí thơng thường số nút qua  K-shortest Path (K-SP): thuật tốn tìm k (k lớn 1) đường từ nguồn đến đích có chi phí ngắn  Chức lựa chọn Chức lựa chọn chia làm hai loại:  Sequential selection: Đây thuật toán sử dụng rộng rãi tính đơn giản thuật toán Nhược điểm lớn thuật toán khơng mang lại tính tối ưu cho giải pháp phụ thuộc vào thứ tự lựa chọn luật lựa chọn Thứ tự lựa chọn lựa chọn đường quang ứng cử đường quang thiết lập gán bước sóng phụ thuộc vào luật lựa chọn  Combinatorial selection: thuật toán phức tạp thuật toán Sequential selection cho lựa chọn tốt [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 38 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO b Các chức thuật tốn gán bước sóng Cũng giống thuật tốn định tuyến, thuật tốn gán bước sóng chia làm hai phần tìm kiếm lựa chọn  Chức tìm kiếm Chức tìm bước sóng gán cho luồng quang định tuyến  Chức lựa chọn Chức làm nhiệm vụ lựa chọn bước sóng tập bước sóng mà chức tìm kiếm tìm cho số bước sóng sử dụng tốn Cũng trường hợp trên, chức chia làm hai loại :  Sequential selection: Giống trên, lựa chọn có giải thuật đơn giản lựa chọn khơng tối ưu Combinatorial selection: thuật toán lựa chọn tổ hợp phức tạp nhiều so với thuật toán lựa chọn tuần tự, bù lại mang lại kết tốt nhiều 2.3.2 Các ký hiệu sử dụng toán Sau quy định kí hiệu sử dụng nhiều toán:  N: số đỉnh hay nút, N=|V|  L: số liên kết, L=|E|  L': số liên kết chọn để chuẩn bị gán  W: số bước sóng liên kết  R: số cặp nguồn đích  P': số đường quang lựa chọn ứng cử cho yêu cầu kết nối  P: tổng tất đường quang tích tốn mạng, P = P’ * R [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 39 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO  Cặp nguồn đích: Là hai node thuộc mạng mà có luồng quang liên kết chúng  Unique (Multi) Requests :có hay nhiều yêu cầu kết nối cặp nguồn đích  Link-based (Path-base ) model : mơ hình tốn xây dựng dựa biến link path  Single-fiber (Multi-fiber) links: Số liên kết hai nút cạnh hay nhiều liên kết vật lí  Max – RWA: tốn tối đa hóa số u cầu kết nối  Min-RWA tốn tối thiểu hóa số bước sóng cần dùng Conversion: chuyển đổi bước sóng [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 40 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Chương 3: Định tuyến gán bước sóng tĩnh cho mạng quang phương pháp tối ưu PSO 3.1 Giới thiệu Các mạng quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) [1] ứng cử viên lý tưởng để xử lý vấn đề ngày tăng trưởng lưu lượng nhu cầu băng thông Kết nối thông minh định tuyến định tuyến gán bước sóng (RWA) cần thiết để tạo mạng có hiệu chi phí Nhiều phương pháp sử dụng chẩn đốn, thuật tốn tiến hóa, chương trình tốn học, …nhằm tối thiểu hóa bước sóng u cầu (ví dụ băng thông) để thực khoản định lưu lượng đề xuất để giải vấn đề RWA Trong phần phát triển thuật toán dựa kỹ thuật Tối Ưu Bầy Đàn (PSO) [3, 4] để giải vấn đề RWA để thiết lập kết nối mạng quang mà khơng có khả chuyển đổi bước sóng PSO thuật tốn thích ứng dựa ẩn dụ tâm lý xã hội Cá thể xã hội quan sát hàng xóm chúng cố gắng để phù hợp với công việc tốt hàng xóm chúng Cá thể bầy gọi phần tử Hệ thống khởi tạo với bầy phần tử phần tử số giải pháp ngẫu nhiên tiềm Mỗi phần tử sau làm 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 Chúng tơi phát triển chương trình C dựa mô mạng mà sử dụng thuật tốn PSO chúng tơi để thực RWA kết thực nghiệm loạt mạng Chúng so sánh kết với kết lý thuyết tiếng cho thấp ràng buộc số lượng cần thiết bước sóng độ dài đường trung bình, chúng tơi đạt kết tối ưu số trường hợp gần tối ưu trường hợp lại, chứng tỏ hữu ích kỹ thuật PSO Để tốt kiến thức lần PSO sử dụng để giải vấn đề RWA [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 41 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO 3.2 Tối ưu bầy đàn - PSO Được biết đến thuật toán truyền thống cho vấn đề NP-đầy đủ trở nên hiệu cho vấn đề cỡ lớn khơng có kết Các phương pháp thay lấy cảm hứng từ tượng sinh học thuật toán di truyền (GA), ACO, PSO sử dụng để giải vấn đề NP-đầy đủ cỡ lớn giải pháp gần tối ưu Chẳng hạn kỹ thuật, phân loại tính tốn tiến hóa, khơng đảm bảo giải pháp tốt thường xuyên, làm việc tốt cho nhiều lớp khác vấn đề tối ưu Trong này, chứng minh việc sử dụng kỹ thuật PSO để thu giải pháp gần tối ưu cho vấn đề RWA PSO thuật tốn thích nghi dựa ẩn dụ tâm lý xã hội Các cá thể xã hội quan sát hàng xóm chúng cố gắng tốt để phù hợp biểu diễn tốt hàng xóm chúng Các cá thể bầy gọi phần tử Các phần tử di chuyển đồng bầy Một phần tử giải pháp mã hóa ứng cử Mỗi phần tử có giá trị lực đại diện chất lượng phần tử giải pháp Trong vấn đề tối ưu hóa, chúng tơi tìm kiếm để lấy phần tử với lực tối ưu Một bầy phần tử sưu tập phần tử Chúng giả định phần tử lưu giữ cách ngẫu nhiên chọn thứ tự tuyến tính: P0, P1, … PSWARMSIZE-1 Chúng định nghĩa khu hàng xóm cho phần tử bầy, sưu tập bầy - tất phần tử khoảng cách định từ phần tử Kích cỡ khu hàng xóm biến chọn người dùng Khoảng cách định nghĩa điều khoản số mảng phần tử sưu tập Một 3-khu hàng xóm bao gồm phần tử đó, phần tử bên trái phần tử bên phải Chúng tơi bắt đầu với bầy ban đầu ngẫu nhiên chẩn đoán tạo phần tử Năng lực phần tử tính tốn ghi lại Đối với phần tử P[i], lực cá nhân tốt lực phần tử tốt khu hàng xóm vào thời điểm lúc Chúng tơi tính tốn ghi lại lực cá nhân tốt lực hàng xóm tốt cho phần tử cấu hình tương ứng PB[i] NB[i] Mỗi phần tử sau làm chuyển động Chúng theo dõi lực tốt thời điểm cấu hình tốt thời điểm Một chuyển động gây nên cấu hình phần tử thay đổi chút Độ lớn chuyển động tính cấu hình P[i], khoảng cách P[i] PB[i], khoảng cách P[i] NB[i] Các phần tử tiếp tục chuyển động xung quanh đồng cách thức cố gắng để tốt so sánh với lực hàng xóm nó.Vận tốc chuyển động phần tử tính tốn công thức (1), t biểu diễn bước thời gian; Ø1 Ø2 hai số thực tạo ngẫu nhiên (nằm 1, tạo ngẫu nhiên chu kỳ thời gian), CP số [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 42 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO biết trước đại diện cho tham số nhận thức, SP số tương tự cho tham số xã hội Vị trí phần tử tính tốn cơng thức 2: v[i][d](t + 1) = P[i][d](t - 1) = v[i][d](t) + Ø1 x (PB [i][d] - P[i][d](t)) + Ø2 x SP x (NB [i][d] - P[i][d](t)) P[i][d](t) - v[i][d](t - 1) (1) (2) 3.3 Mơ hình hóa vấn đề RWA sử dụng PSO Giải pháp ứng viên cho vấn đề phân công đường bước sóng để đáp ứng tất nhu cầu lưu lượng ma trận lưu lượng đưa Chúng sử dụng đồ thị Hình để chứng minh phương pháp mã hóa phần tử Xem xét mạng 4-node Hình 1-A, cho ma trận lưu lượng Bảng Coi số lớn đường cần thiết cho cặp (s, d) Tmax ví dụ số lớn ma trận yêu cầu lưu lượng T (trong ví dụ này, Tmax = 4) Hình 3.1: Các mạng 4-node 9-node đơn giản Bảng 3.1: Ma trận lưu lượng cho mạng 4-node Đối với cặp (s, d), chúng tơi tính tốn số lượng vừa đủ (>= Tmax) đường sử dụng thuật tốn K-đường đi-ngắn (hoặc có sẵn nhiều) chứa đựng chúng theo thứ [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 43 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO tự không giảm theo độ dài K-đường đi-ngắn (thực tế, tất đường đi) cho vấn đề lưu trữ Bảng Bảng 2: Ma trận K-đường dẫn cho mạng 4-node Để tạo phần tử, ngẫu nhiên chọn đường mà lựa chọn đáp ứng nhu cầu lưu lượng cho cho cặp (s, d) Trong trường hợp khơng có đủ đường dẫn để phục vụ nhu cầu, sử dụng nhiều đường dẫn Việc lựa chọn đường dẫn trình bày vecto [n0 n1 … nm-1] m số đường sẵn có từ s đến d, ni >=0, n0 + n1 + … + nm-1 = T[s][d] Ví dụ, T[0][1] có đường đi: đường [0] = [0 1], đường [1] = [0 1] đường [2] = [0 1] Vecto [2 0] có nghĩa [0 1] lựa chọn; [1 0] có nghĩa [0 1] [0 1] lựa chọn Bảng cho thấy ngẫu nhiên đường gán cho tất cặp node Bảng 3: Gán định tuyến cho mạng 4-node Bước để gán bước sóng cho tuyến đường chọn Chúng tơi gán bước sóng sử dụng chẩn đoán phù hợp (FF: first-fit) FF bắt đầu gán bước sóng cho tuyến đường cặp node (0, 1) thực (theo thứ tự hàng) đến cặp node (N-1, N-2) FF gán bước sóng sẵn sàng bước sóng λ0 tới tuyến đường chọn cho bước sóng tương tự gán cho tất liên kết tuyến đường 3.4.1 Năng lực phần tử [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 44 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Chúng xác định lực phần tử kết hợp số bước sóng sử dụng xử lý gán bước sóng Nλ , độ dài đường dẫn trung bình (APL), định nghĩa số trung bình liên kết sử dụng dọc theo tuyến đường chọn, hai xác định cấu hình phần tử Fitness = c1 x Nλ + c2 x APL (3) Trong c1 c2 tham số chọn người sử dụng phụ thuộc vào tiêu chí tối ưu hóa Giảm thiếu APL quan trọng để giảm lãng phí tài nguyên mạng để giảm trễ mát truyền dẫn tín hiệu 3.4.2 Sự biến đổi PSO dựa khoảng cách Hamming Chúng xác định biến đổi thuật tốn PSO phù hợp mục đích tốt Trong công thức (1) (2) cấu hình dựa khác (PB[i][d] - P[i][d](t)) (NB[i] [d] - P[i] [d](t)) Chúng nhận thấy “sự khác biệt số học” sử dụng tính tốn khoảng cách chuyển động tạo phần tử di chuyển không gian Ơclit Trong vấn đề chúng tôi, phần tử mã hóa bao gồm mảng vecto chiều Xem xét phần tử PB PB (4) bên Chọn nhu cầu lưu lượng cho cặp (s, d) ví dụ T[s][d] = tập trung vào vecto tương ứng với cặp (s, d) Chúng hiển thị vecto PA[s][d] PB[s][d] (4), khoảng cách Hamming (số vị trí mục mà thành phần khác nhau) PA[s][d] PB[s][d] PA = […[2 1]…] PB = […[0 2]…] (4) Ví dụ, chúng tơi làm cho PA[s][d] = […[0 0]…] Điều giảm khoảng cách Hamming đển đưa PA gẫn gũi với PB Mặt khác, khác biệt số học PA – PB, mà kết […[2 -2 -1]…], khơng đại diện phần tử hợp lệ Vì thế, chúng tơi sử dụng khoảng cách Hamming phần tử để định nghĩa vị trí phần tử Cho mục đích này, chúng tơi định nghĩa điều hành Hamming Distance Reducer (HDR) mà chọn thành phần ngẫu nhiên phần tử điều chỉnh gần gũi với phần tử khác Chọn multipleHDR(a, b, n) trình bày trình mà n HDR thực chuỗi mảng a Bây định nghĩa biến đối công thức cho chuyển động sau: Chọn P[i](t) cấu hình phần tử thứ i thời điểm t; PB[i](t) cấu hình đưa lực cá nhân tốt cho NB[i](t) lực tốt khu hàng xóm Chọn hd(a, b) đại diện khoảng cách Hamming hai vecto a b Chúng tơi tính tốn: [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 45 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO nl = ( Ø1 x hd ( P[ i ]( t ), PB[ i ]( t ))) n2 = ( Ø2 x hd ( P[ i ]( t ), NB [ i ]( t ))) (5) Ø1 Ø2 định nghĩa (1) Để tính tốn P[i](t+1) , chúng tơi thực n1 multipleHDR P[i](t) để di chuyển hướng tới cá nhân tốt nó, theo n2 HDRSwaps để di chuyển hướng tới tốt hàng xóm cuối trao đổi ngẫu nhiên có thể, lần dựa số ngẫu nhiên n3 P[i](t - 1) = multipleHDR(multipleHDR(P[i][t], PB[i][t], nl), NB[i] [t], n2) if n3 >θ then randomSwap(P[i](t + 1)) (6) θ ngưỡng chọn trước Cấu hình cuối tính tốn (6) cấu hình P[i](t+1) Hốn vị ngẫu nhiên cuối phân tán phần tử chút để khuyến khích hội tụ tới tối ưu địa phương 3.4 Tóm tắt lưu đồ giải thuật PSO cho toán RWA [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 46 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Chương Các kết thực nghiệm 4.1 Kịch thử nghiệm Để đánh giá mơ hình PSO chúng tơi, so sánh kết thực nghiệm với giới hạn thấp lý thuyết tiếng yêu cầu bước sóng độ dài đường trung bình Chúng tơi phát triển chương trình thử nghiệm dựa [5] Dưới chúng tơi trình bày kết chúng tơi cho hai mạng hình mạng giới thực mạng NSF 14-node (National Science Foundation) mạng EON 20-node (European Optical Network) Để cho đơn giản lấy giới hạn lý thuyết giả định lưu lượng đồng có yêu cầu lưu lượng từ node đến node cịn lại (ví dụ: T[i][j] = với i ≠ j = trường hợp lại) Cận theo lý thuyết số lượng bước sóng (WL) mạng N-node tính tốn (7), C tập cạnh loại bỏ mà tạo hai phân chia mạng tự kết nối với số đỉnh K N-K |C| giá trị tuyệt đối C Vì cặp node K x (N-K) cần lightpath qua liên kết |C|, số lượng tối thiểu hóa bước sóng khác biệt K x (N-K) / |C| cho lát cắt C Lát cát tối đa K x (N-K) / |C| xác định biên WL WL = max [K x (N - K) / |C| ] với C (7) Chúng định nghĩa cận cho độ dài đường trung bình DL Chọn dij đại diện độ dài đường ngắn từ node i đến node j Chúng nhận thấy cận lý thuyết luôn đạt thực tế, kể từ đạt WL không bao hàm đạt DL ngược lại Bởi chí cịn khó khăn để đạt tối ưu hai RWA DL = ( ∑ dij ) / N x (N – 1) với i, j (8) Thử nghiệm bao gồm thực mô PSO cho bốn mạng Các tham số chọn số bước lặp, kích thước bầy kích thước hàng xóm Kết báo cáo trình bày hiệu suất tốt thử nghiệm Các tham số, c1 c2 sử dụng tính tốn fitness đặt 1.0 Tham số θ (công thức 6) đặt 0.0 4.2 Các kết thử nghiệm đánh giá [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 47 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Bảng 4: Kết thực nghiệm PSO cho RWA (chữ đậm kết tốt nhất, ví dụ Nλ ) Bảng cho thấy kết thực nghiệm chúng tôi, bảng I-Max = Số lớn vòng lặp phép, SS = kích thước bầy, NS = kích thước hàng xóm, Nλ = số thấp bước sóng đạt mơ hình PSO chúng tơi, APL = độ dài đường trung bình đạt mơ hình PSO chúng tơi, IN = số bước lặp mà đạt kết tối ưu, ví dụ Fitness thấp (cơng thức 3) Với mạng 4-node Hình 1-A, WL = DL = 14/12 = 1.1667 Mơ hình PSO chúng tơi sản xuất trình bày RWA với Nλ = 2, APL = 1.1667 bước lặp đầu tiên, đạt hai cận nhanh chóng Với mạng 9-node Hình 1-B, WL = DL = 144/72 = 2, mơ hình PSO chúng tơi sản xuất trình bày gần tối ưu Nλ = 7, APL = 2.0281, 5000 bước lặp Với NSF EON, WL tính tốn bước sóng 13 18 tương ứng Trong trường hợp mạng NSF, PSO chúng tơi tìm giải pháp với Nλ = 13 APL = 2.54, phù hợp với tối ưu bước sóng gần tối ưu cho APL Với EON, mơ hình PSO tìm giải pháp với Nλ = 18 APL = 2.8673 lần phù hợp với WL gần với DL (biểu diễn chữ đậm bảng) Hơn nữa, thử nghiệm chúng tơi nhìn chung fitness giải pháp cải thiện với số bước lặp Một kích thước bầy gần với số node mạng dường làm việc tốt Các mạng với mật độ cao liên kết cần kích thước bầy lớn Kích cỡ hàng xóm nhỏ [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 48 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO 10 đưa kết gần với tối ưu tăng kích cỡ hàng xóm kích cỡ bầy khơng tìm kết tốt tăng thời gian tính tốn Thực nghiệm chúng tơi thực PC Pentium IV 3.0GHz Thời gian để tìm giải pháp tối ưu khoảng 15 giây cho 100 bước lặp [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 49 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Kết luận Trong luận văn này, mô tả ứng dụng kỹ thuật tối ưu bầy đàn (PSO) để giải vấn đề định tuyến gán bước sóng (RWA) mạng quang khơng sử dụng chuyển đổi bước sóng Thuật tốn PSO giải vấn đề RWA với đầu vào ma trận lưu lượng để tìm u cầu số bước sóng Nλ độ dài đường trung bình yêu cầu Luận văn đã phát triển chương trình mơ dựa ngơn ngữ C sử dụng thuật tốn PSO để thực RWA trình bày kết thực nghiệm số hình trạng mạng giả lập mạng NSF, EON Luận văn so sánh kết với cận số bước sóng yêu cầu độ dài đường trung bình theo lý thuyết ta đạt kết tối ưu vài trường hợp gần tối ưu trường hợp khác, qua đó chứng tỏ hữu ích kỹ thuật PSO [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 50 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Optical networks: Pratical and Perspective Ramaswami, R., Sivarajan, K.N, Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, (2002) [2] A Review of Routing and Wavelength Assignment Approaches for Wavelength- Routed Optical WDM Networks, Hui Zang, Jason P Jue and Biswanath Mukherjee, Optical Networks Mag., vol 1, no 1, pp 47-60, Jan 2000 [3] Particle Swarm Optimization for Routing and Wavelength Assignment in Optical Networks - T.M Rao and V Anand, Department of Computer Science, State University of New York, College at Brockport - Brockport, NY 14420, USA (traogbrockport.edu, vanandgbrockport.edu) [4] Static Routing and Wavelength Assignment Inspired by Particle Swarm Optimization - A Hassan, C Phillips [5] Standard PSO version 2006 - James Kennedy and Maurice Clerc [6] Ant Colony Optimization for Virtual- Wavelength-Path Routing and Wavelength Allocation, Varela, G.N and Sinclair, M.C , Proceedings of the Congress on Evolutionary Computation , volume , pages 1809-1816 , Mayflower Hotel, Washington D.C., USA , 6-9 July 1999 [7] A Genetic Algorithm Approach for Solving the Routing and Wavelength Assignment Problem in WDM Networks, Nilanjan Banerjee, Vaibhav Mehta and Sugam Pandey IEEE/IEE International Conference on Networking, pp 70-78, March 2004, [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 51 ... Trang 26 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO  Chuyển đổi bước sóng tồn quang: q trình chuyển đổi bước sóng thực hồn toàn miền quang Phương pháp dựa vào hiệu ứng trộn bước sóng. .. 27 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO sóng, hai node mạng mà định tuyến qua node trung gian Các node mạng trung gian chuyển mạch chuyển đổi bước sóng Vì mạng xem mạng định tuyến. .. Protocol) [Học viên: Cao Xuân Hải – Lớp: XLTT&TT khóa 2007-2009] Trang 33 Định tuyến gán bước sóng tĩnh mạng WDM phương pháp PSO Hình 2.2: Định tuyến định tuyến ngồi 2.2 Gán bước sóng Việc gán bước sóng