Nghiên cứu phân bổ tối ưu bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng aon

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN HUY TOÀN NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ TỐI ƯU BỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG AON LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : Điện tử viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : NGUYN VN KHANG H Ni 2007 Mở đầu Sự bùng nổ mạng Internet, phát triển số lợng ng−êi sư dơng , sù ph¸t triĨn cđa c¸c øng dụng dịch vụ IP, mà đà chứng kiến vòng gần thập kỉ qua Xét mặt kỹ thuật, để đáp ứng đợc phát triển đó, hạ tầng mạng truyền dẫn bao gồm mạng đờng truyền backbone mạng truy nhập đà phải nâng cao dung lợng cách chuyển dần sang mạng truyền dẫn cáp sợi quang Mạng truyền dẫn quang đà đáp ứng đợc nhiều yêu cầu dung lợng (tối đa 50Tbps), chi phí xây dựng tính bảo mật thông tin Hai công nghệ quan trọng gần giúp tăng dung lợng hệ thống WDM khuêch đại sợi quang EDFA Từ khoảng năm 1986 trở lại có nhiều dự án xây dựng mạng đờng trục cáp quang biển quốc tế đợc triển khai, đà giúp tăng cờng khả trao đổi thông tin quốc gia, lÃnh thổ giới Tiếp đến mạng đờng trục đất liền quốc gia đợc xây dựng tảng truyền dẫn sợi quang Vào đầu năm 1988, công nghệ SONET SDH chủ đề nóng đợc đề cập đến nh chuẩn ghép kênh cho mạng đờng trục tơng lai SONET SDH chuẩn thiết kế từ đầu cho hệ thống TDM (chiếm đa số vào năm 1980) Sử dụng TDM, luồng liệu tốc độ cao đợc tạo trực tiếp cách ghép kênh có tốc độ bit thấp Thực tế đà có nhiều hệ thống SDH/SONET đà đợc triển khai Các hệ thống TDM dung lợng cao hoạt động tốc độ OC-192 10Gbps Tuy nhiên ta gặp khó khăn muốn chuyển lên tốc độ OC-768 lớn hạn chế tần số hoạt động linh kiện điện tử Đến năm 1997, công nghệ WDM đợc đánh giá công nghệ ghép kênh số giúp tăng dung lợng hệ thống lên hàng trăm lần, giảm chi phí đầu t Công nghệ WDM cho phép ghép nhiều kênh tốc độ bít khác sợi quang cách đặt kênh bớc sóng khác Hiện Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON đà có thiết bị ghép kênh WDM có khả ghÐp 80 kªnh (b−íc sãng) Víi viƯc chØ xư lý tín hiệu quang node mạng, đà loại bỏ hạn chế thiết bị điện tử, đa mạng tên mạng toàn quang (AON) Mạng toàn quang định tuyến bớc sóng đợc coi ứng cử viên cho mạng backbone diện rộng hệ Mạng AON đợc xây dựng từ thiết bị ghép kênh WDM (kèm theo khả xen/tách) thiết bị đấu chéo OXC (cross-connect) Hệ thống DWDM có khả ghép 32 bớc sóng nhiều dải 1550nm, tăng dung lợng sợi quang có suốt với tốc độ bít Mạng AON làm việc với bớc sóng khác lớp vật lý, ghép kênh WDM định tuyến theo bớc sóng Nó gồm node định tuyến bớc sóng quang đợc nối với kết nối sợi quang Một lightpath phải đợc thiết lập hai node định tuyến trớc chúng trao đổi thông tin Mạng phải xác định tuyến (route/path) nối node gán bớc sóng rỗi cho kết nối dọc theo đờng Lightpath kết nối quang trực tiếp hai node không qua thiết bị điện tử trung gian Để thiết lập lightpath, thông thờng yêu cầu mạng phải phân bổ bớc sóng chung tất kết nối dọc theo đờng lightpath Đó yêu cầu tính liên tục bớc sóng, điều khiến cho mạng định tuyến bớc sóng khác với mạng điện thoại chuyển mạch truyền thống Một yêu cầu bị từ chối bớc sóng chung rỗi toàn tuyến Một mục tiêu toán thiết kế mạng AON định tuyến bớc sóng phải giảm tối thiểu xác suất nghẽn toàn mạng Để tận dụng tài nguyên bớc sóng giảm xác nghẽn, node mạng ngời ta phải đặt chuyển đổi bớc sóng (WC) Khi kết nối từ node nguồn đến node đích, thông tin đợc truyền bớc sóng khác Xong câu hỏi đặt có cần phải đặt chuyển đổi bớc sóng tất node? Nếu không node mạng nên đặt cần chuyển đổi đặt node đó? LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông -2- Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Trớc ta trả lời hai câu hỏi trên, ta cần phải biết giá thành chuyển đổi đắt đà có đột phá công nghệ Mạng có tất node đợc trang bị chuyển đổi bớc sóng đạt đợc chất lợng tốt (xác suất nghẽn nhỏ nhất), nhng kéo theo đòi hỏi chi phí đầu t lại lớn Đối với nhà khai thác mạng đầu t, yếu tố chi phí đầu t ban đầu (CAPEX) đợc quan tâm đâu tiên ảnh hởng đến giá thành dịch vụ hiệu đầu t kinh doanh sau Mặt khác lý thuyết thực tế đà chứng minh, có node mạng không cần phải có chuyển đổi bớc sóng lu lợng qua cần chuyển đổi Chính lý đà thúc đẩy nhà thiết kế, quy hoạch mạng tìm thuật giải phân bổ chuyển đổi bớc sóng cho số lợng chuyển đổi bớc sóng sử dụng tối thiểu, nhng lại đạt chất lợng gần với mạng đợc trang bị đầy đủ Đó yêu cầu toán phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng đợc tác giả nghiên cứu luận văn Có thể coi toán toán lớn thiết kế quy hoạch mạng truyền dẫn toàn quang Đầu vào toán gồm có : Topo mạng, số lợng chuyển đổi, thống kế lu lợng mạng Đầu toán cho biết phải đặt chuyển đổi node mạng số lợng để mạng có xác suất nghẽn nhỏ Dựa vào đó, nhà khai thác có sở để lên cấu hình thiết bị cho node mạng Do toán WCP quan trọng nhà khai thác mạng đờng trục chuyển dần mạng truyền dẫn quang sang mạng WDM, xây dựng mạng truyền dẫn quang WDM xếp chồng lên mạng ®ang cã Sau nhËn thÊy tÇm quan träng cđa chuyển đổi bớc sóng, yếu tố giá thành, đặc biệt nhận xét d thừa không cần thiết trang bị chuyển đổi bớc sóng node mạng, đà có nhiều công trình nghiên cứu đa thuật toán phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng cho cấu trúc mạng khác (Mesh, Ring ) Lúc đầu thuật toán đợc nghiên cứu độc lập, sau đợc nghiên cứu gắn liền với LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông -3- Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON thuật giải định tuyến gán bớc sóng RWA Dựa mô phỏng, công trình đà có so sánh chất lợng thuật toán cũ đề xuất Trong luận văn này, tác giả không đa thuật giải Mà mục đích để nêu vấn đề mà nhà thiết kế quy hoạch mạng phải quan tâm trớc đầu t mua thiết bị, chất lợng mạng không phụ thuộc vào thuật toán đính tuyến gán bớc sóng đợc chọn, mà phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng toán góp phần nâng cao chất lợng mạng Do tác giả nêu bật tầm quan trọng chuyển đổi bớc sóng ý nghĩa việc chọn thuật toán phân bổ tối u thiết kế quy hoạch mạng Trong luận văn này, tác giả đề cập đến mạng truyền dẫn quang đờng trục cấu trúc mesh ring Mạng mesh đợc chọn mạng đờng trục tơng lai tính d thừa cần thiết tăng chi phí đầu t ban đầu Mạng vòng ring hay đợc triển khai thực tế khả dự phòng tốt Nếu xét khả chuyển đổi bớc sóng, đối tợng nghiên cứu luận văn mạng có phân bố chuyển đổi bớc sóng rời rạc có khả chuyển đổi hạn chế (SPWC- Sparse Partial Wavelength Converter) Hai u điểm quan trọng mạng giảm phí đầu t nhờ việc sử dụng chuyển đổi mà đạt đợc chất lợng mạng nh yêu cầu, mang lại thuận lợi cho nhà khai thác nâng cấp dần lên hệ thống full-complete LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông -4- Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON chơng 1: Tổng quan mạng truyền dẫn toàn quang 1.1 Các thành phần mạng truyền dẫn quang 1.1.1 Sợi quang Sợi quang (Optical fiber) đợc chọn làm môi trờng truyền dẫn tín hiệu mạng tốc độ cao sở hữu nhiều u điểm vợt trội so với môi tr−êng trun dÉn trun thèng Cã thĨ liƯt kª nh− : Phỉ tÇn sư dơng réng, suy hao thÊp, tiêu thụ công suất ít, không bị gây nhiễu điện từ trờng bên ngoài, sử dụng vật liệu chế tạo ít, nhỏ gọn giá thành rẻ Cũng nhờ mà hệ thống thông tin quang thờng cã tØ lƯ BER rÊt thÊp, nhá h¬n 1011 Tuy nhiên sợi quang tồn tợng vật lý nh: suy hao, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến đà làm nh hng n vic tn dng ti a tài nguyên ca nó, c bit mạng đờng trục tốc độ cao Có hai vùng suy hao thấp quan trọng hay đợc sử dụng:1300nm, bề rộng 200nm, suy hao nhỏ 0.5dB/Km; 1550nm, bề rộng 200nm, suy hao thấp khoảng 0.2dB/Km Băng thông đợc tính xÊp xØ 50THz theo c«ng thøc: ∆f ≈ c λ2 Hình 1.1: Phổ suy hao sợi quang LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông -5- Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Có hai loại sợi quang sợi quang đơn mode(SMF) sợi quang đa mode (MMF) Nhợc điểm sợi quang đa mode tợng tán sắc mode (Iinter-mode Dispersion), làm giảm giá trị tích BR*D ( BRBit Rate; D Distance) xuống vài chục Mb/s/Km Sử dụng sợi quang có chiết suất bậc (Step- Index), sợi quang chiết suất giảm dần (GradedIndex) nâng lên hàng (Gb/s )-Km, nhiên không đảm bảo khoảng cách truyền dẫn lớn Trong đó, sợi quang đơn mode loại bỏ tán sắc mode cách giảm đờng kính lõi sợi quang Tuy nhiên, tợng tán sắc (Chromatic Dispersion)-do tồn nhiều thành phần hài phổ tín hiệu quang truyền sợi quang gây nên- lại yếu tố ảnh hởng sâu sắc đến chất lợng truyền quang Một số loại sợi quang đơn mode chuẩn, ITU-T khuyến nghị hay đợc dùng mạng truyền dẫn quang gồm có : Non- Dispersion Shifted Fiber (G.652), Dispersion-Shifted (C.653), 1550-nm Loss minimized Fiber (G.654) vµ Nonzero-Dispersion Fiber (G.655) ƒ NDSF (ITU-T G.652 ) Là loại sợi quang đợc sử dụng nhiều Nó đợc chế tạo tối u cho vùng 1310nm, có tán sắc bớc sóng 1310nm, gần 20ps/nm-Km ë b−íc sãng 1550nm ƒ DSF (ITU-T G.653) Lµ loại sợi quang đợc thiết kế tối u cho vùng 1500-1600nm, có hệ số tán sắc xấp xỉ 3.3ps/nm-Km tài cửa sổ 1550nm gần bớc sóng 1550nm Loại sợi quang không phù hợp cho mạng WDM ảnh hởng hiệu ứng phi tuyến 1550nm Loss Minimized Fiber (ITU-T G.654) Đây loại sợi quang đơn mode chuẩn đặc biệt, có tổn hao thấp vùng cửa sổ 1550nm ITU G.654 đợc thiÕt kÕ tèi −u cho vïng 1500-1600nm B−íc sãng cutoff hiệu dụng thông số quan trọng thiết kế loại sợi Tổn hao thấp nhờ sử dụng lõi thuỷ tinh tinh khiết Sản xuât ITU G.654 LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông -6- Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON tốt kém, giá thành cao, nên đợc sử dụng Loại sợi quang phù hợp cho hệ thống cáp quang biển mạng cáp quang đờng trục NZ-DSF (ITU-T G.655) Là loại sợi quang SMF có hệ số tán sắc lớn giá trị khác không vùng 1500nm Hiện tợng tán sắc làm giảm ảnh hởng c¸c hiƯu øng phi tun nh−: FXM, SPM,XPM xt hiƯn hệ thống DWDM Loại sợi quang phù hợp nhất, hoạt động tối u vùng 15001600nm 1.1.2 Bé ph¸t/thu tÝn hiƯu quang Bé ph¸t tÝn hiƯu quang Bé ph¸t tÝn hiƯu quang (Optical transmitter) cã chức chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang ánh sáng phát từ nguồn đợc bơm vào sợi quang để truyền Có hai loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang LED (Light Emitting Diode) vµ LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) Các nguồn phát sáng quang cần có tÝnh chÊt vËt lý sau : ƒ Phï hỵp víi kích thớc sợi quang Bơm đủ công suất vào sợi quang để đảm bảo tín hiệu đợc phát đầu thu với suy hao biết trớc ƒ Ph¸t ¸nh s¸ng ë b−íc sãng cã suy hao tán xạ thấp Độ rộng phổ hẹp để giảm thiểu tán xạ Duy trì đặc tính ổn định điều kiện môi trờng thay đổi Cho phép điều chế trực tiếp công suát quang phát Giá thành thấp độ tin cậy cao LEDs nguồn phát lý tởng cho hệ thống quang đa mode sử dụng mạng LAN mạng truy cập Tuy nhiên LEDs cung cấp đủ ánh sáng vào sợi quang đơn mode khoảng cách truyền dẫn lớn LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông -7- Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON LASER nguồn phát ánh sáng đợc sử dụng phổ biến hệ thống truyền dẫn quang Hầu hết hệ thống phát Laser đợc thiết kế để làm việc với nhng bớc sóng đợc quy định ITU-T Đối với hệ thống WDM, ngời ta thờng dùng loại nguồn Laser điểu chỉnh đợc đến bớc sãng kh¸c (Tunable Laser) nh»m tiÕt kiƯm chi phÝ Cách khác dùng Laser cố định bớc sóng (Fixed Tune Laser) DFB làm việc tốt với øng dơng hiƯn Víi c¸c hƯ thèng WDM cã số bớc sóng lớn gồm hàng chục đến hàng trăm bớc sóng, cách trở thành tốn kém, gây khó khăn cho nhà sản xuất công tác vận hành Một lựa chọn khác dùng mảng Laser (Laser Array), bao gồm tập Laser, với Laser đà hoạt động bớc sóng cố định khác Nhng mặt hạn chế số bớc sóng có sẵn mảng Laser cố định giới hạn khoảng 20 bớc sóng Thiết bị thu tÝn hiƯu quang ThiÕt bÞ thu tÝn hiƯu quang (Optical Receiver) thực chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện cách sử dụng linh kiện Photodetector tạo dòng điện có cờng độ tỷ lệ với công suất quang thu đợc Dòng điện sau đợc khuếch đại cho qua thiết bị ngỡng Một bít phát đợc xác định mức hay phụ thuộc dòng điện hay dới ngỡng suốt thời gian bit Nói cách khác định đợc thực dựa vào cờng độ ánh sáng suốt khoảng thời gian bit 1.1.3 Bộ lọc ghép kênh quang Các lọc quang (Optical Filter) thành phần chđ u hƯ thèng trun dÉn WDM ®èi víi hai ứng dụng ghép tách bớc sóng, thiết bị đợc gọi ghép kênh (MUX) phân kênh (DEMUX) Ngoài lọc làm phẳng độ lợi lọc nhiễu khuếch đại quang LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông -8- Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Hình 1.2: Bộ lọc ghép kênh Một lọc đơn giản thiết bị hai cổng chọn bớc sóng loại bỏ bớc sãng kh¸c Nã cã thĨ cã mét cỉng thø ba thêm vào mà thu đợc bớc sóng bị loại bỏ Một ghép kênh (MUX) kết hợp tín hiệu bớc sóng khác đầu vào đa tín hiệu kết hợp đầu chung Bộ DEMUX thực chức ngợc lại MUX DEMUX đợc dùng thiết bị đầu cuối mạng WDM, kết nối chéo bớc sóng (WXC) ghép kênh xen/tách bớc sóng (ADM) MUX DEMUX đợc nối liên tầng để tạo WXC Hình 1.3 ví dụ WXC cố định Thiết bị gửi tín hiệu từ đầu vào đến ngõ dựa bớc sóng WXC động đợc xây dựng cách kết hợp sử dụng chuyển mạch quang với ghép kênh phân kênh Hình 1.3: Bộ kết nối chéo cố định LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông -9- Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON B- Phân tích lu lợng qua node Sau biết đợc mạng xử lý đợc lu lợng, ta phân tích đợc lu lợng đợc qua node Điều ta quan tâm số lợng chuyển đổi bớc sóng đồng thời node Giả thiết trình yêu cầu thiết lập lightpath đến node n tuân theo phân bố Poisson với tốc độ n Rễ ràng suy ra: β n = ∑ Aa , ®ã tuyÕn Ra ®i qua node n (4-6) a Gäi p n ( f n ) xác suất có f n lightpath đợc chuyển đổi đồng thời node n Do f n biến thiên từ đến F(n) thời điểm node n hỗ trợ tối đa F(n) chuyển dổi đồng thời Dựa giả thiết đó, ta có toán lu lợng theo mô hình M/M/m/m Giải chuỗi Markov này, ta thu ®−ỵc: fn! pn ( f n ) = , ≤ f n ≤ F (n) (4-7) i ∑ (β n ) i! (β n ) fn Trong trờng hợp này, xác suất nghẽn hệ thống M/M/m/m thấp, hệ thống M/M/m/m đợc coi xấp xØ nh− hƯ thèng M/M/ ∞ V× vËy, sè lightpath cần chuyển đổi bớc sóng trung bình xÊp xØ b»ng β n , v× thêi gian phơc vụ đợc tính theo phân bố hàm mũ Vẫn mô cho mạng NSFNET với 40 bớc sóng , yêu cầu xác suất nghẽn 2% nhỏ Từ kết bảng 3.6, lu lợng thổng cộng 208Erl, cặp node có 2.286Erl yêu cầu thiết lập lightpath, ta tính đợc tải chuyển đổi bớc sóng node sử dụng công thức (4-6) đợc cho ë b¶ng 3.7 Chóng ta thÊy r»ng tØ sè βn F (n) dao động từ đến 28.6% hầu hết trờng hợp có giá trị từ 10-15% Điều có nghĩa số lightpath yêu cầu chuyển đổi bớc sóng đồng thời node nhỏ so với dung lợng node LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 113 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Bảng 3.9: Giá trị n F (n) mạng NSFNET có tổng lu lợng 208Erlangs Nh có nhiều lu lợng qua node nhng không cần chuyển đổi bớc sóng Chính có lợng nhỏ lu lợng qua node cần chuyển đổi bớc sóng, nên cần trang bị số lợng vừa đủ số chuyển đổi bớc sóng node mà đạt đợc chất lợng nh mong muốn Các mô công trình [3] rõ, sử dụng thuật toán gán bớc sóng thích hợp, ta giảm đợc số chuyển đổi bớc sóng đồng thời thực node 3.5.2 Bài toán WCP cho mạng SPWC Hiện công nghệ chuyển đổi bớc sóng thời kì bắt đầu, giá thành chuyển đổi bớc sóng rất, nên không khả thi nhà khai thác mạng thay tất node định tuyến bớc sóng WCR Mặc khác ngời ta đà kết luận cho mạng phân bố WC rải rác đạt đợc chất lợng tốt gần với mạng trang bị đầy đủ WC Công trình [2] đà đề xuất kiến trúc SPWC, kết hợp u điểm mạng chuyển đổi bớc sóng phần phân bố chuyển đổi rải rác Có hai loại node mạng này: node khả chuyển đổi bớc sóng, bút có khả chuyển đổi bớc sóng hạn chế Bằng cách kết hợp nh vậy, cần số lợng nhỏ chuyển đổi bớc sóng mạng đạt đợc chất lợng tơng đơng với mạng Full-complete Điều mang lại lựa chọn dễ dàng nhà khai thác phát triển mạng lên hỗ trợ chuyển đổi bớc sóng LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 114 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Mạng hoạt động nh sau: nhận đợc yêu cầu thiết lập lightpath, có kết nối tuyến đợc chọn bớc sóng rỗi, mạng thiết lập lightpath cho tuyến đợc Nếu không, mạng phải tìm bớc sóng chung rỗi tất kết nối tuyến đà chọn Tất lightpath đợc thiết lập theo kiểu không cần sử dụng chuyển đổi bớc sóng Nếu bớc sóng chung, rỗi, mạng phải kiểm tra liệu chuyển đổi bớc sóng giúp Một lightpath đợc chia thành nhiều đoạn (segment) WCR nh hình 3.19 mô tả : Node đầu cuối : Node WC rỗi : Node có WC rỗi Hình 3.19: Một lightpath phân đoạn Chú ý rằng, WCR khả chuyển đổi bớc sóng tất WC bận Mỗi đoạn chịu ràng bc vỊ tÝnh liªn tơc b−íc sãng Mét lightpath cã thể đợc thiết lập thành công segment tồn bớc sóng chung rỗi Vì mạng phải kiểm tra xem đoạn bớc sóng rỗi chung không Sau chuyển đổi đợc phân bổ cần thiết Khi lightpath kÕt thóc, c¸c bé WC phơc vơ cho lightpath đợc chuyển sang trạng thái rỗi A- Mô hình phân tích tính xác suất nghẽn Để tính toán xác suất nghẽn mạng WDM định tuyến bớc sóng có cấu trúc SPWC, công trình [3] đà đề xuất mô hình phân tích nh sau: Số lợng node WCR tuyến Ra D (không tính hai node nguồn đích tuyến Ra ) Vì WCR có hai trạng thái: (1) Không chuyển đổi bớc sóng rỗi, (2) Còn nhiều Vì vậy, kết hợp ta có 2D LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 115 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON trạng thái khác tuyến Ra Đối với trạng thái chuyển đổi X, ta kí hiệu số WCR trạng thái (2) Ex, ®ã ≤ Ex ≤ D Nh− vËy, trạng thái X, tuyến Ra đợc chia thành (Ex+1) đoạn : S0, S1, S3, ,SEx Mỗi đoạn sử dụng một bớc sóng tất kết nối thuộc đoạn u S (i ) : xác suất có i bớc sóng chung rỗi đoạn S k Một k lightpath đợc thiết lập tuyến thành công đoạn bớc sóng chung rỗi BRa , X : kí hiệu xác suất nghẽn tuyến cho trạng thái chuyển đổi X BRa , X đợc tính nh sau: Ex [ B Ra , X = − ∏ − u S k (0) ] (4-8) k =0 Tõ ®ã ta tÝnh đợc xác suất nghẽn tuyến: { } B Ra = ∑ B Ra , X P( X ) (4-9) X Trong P(X) xác suất nghẽn trạng thái chuyển đổi X Vì để tính BR , ta phải tính u S (i) P(X) a k Đâu tiên ta xem xét cách tính u S (i ) - xác suất có i bớc sóng chung k rỗi đoạn S k Nếu S k đoạn có hai kết nối j1 j xác suất j1 có x bớc sóng rỗi q j ( x) xác suất j có y bớc sóng rỗi q j ( y ) Gi¶ sư biÕt tr−íc, q j ( x) q j ( y ) , xác suất để tồn i bớc sóng chung kí hiệu p (i | x, y ) đợc tính theo c«ng thøc sau: ⎧β ( x, y, i ), i ≤ min( x, y ); x + y − i ≤ W ;1 ≤ x, y ≤ W p (i | x, y ) = ⎨ ⎩0 (4-10) ⎛ y ⎞⎛W − y ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜ ⎟ i ⎠⎝ x − i ⎟⎠ ⎝ Trong ®ã: β ( x, y, i) = ⎛W ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝x ⎠ (4-11) Từ ta tính đợc u S (i ) cho đoạn có bớc nhảy : k LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 116 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sãng m¹ng AON W W { } u S k (i ) = ∑∑ p (i | x, y ) × q j1 ( x) × q j2 ( y ) (4-12) x =0 y =0 Ph©n tÝch ë mở rộng áp dụng để xác định u S (i ) cho đoạn k { j1 , j , , j h } Dïng S k' để biểu thị đoạn (sub-segment) gồm kết nối { j1 , j , , j h −1 } S k cã nhiỊu hai hai b−íc nh¶y (h) Giả sử tập kết nối Sk Bằng cách coi đoạn Sk gồm đoạn S k' kết nối j h , ta tính đợc u S k (i ) sư dơng c«ng thøc håi quy sau: W W { } u S k (i ) = ∑∑ p (i | x, y ) × u S 'k ( x ) × q jh ( y ) x =0 y =0 (4-13) B©y giêi ta xem làm cách để tính P(X)- xác suất trạng thái X tuyến Ra Giả sử xác suất WCR thứ n tuyến Ra chuyển đổi rỗi pn , ta định nghĩa : D ⎧1 − pn (14)Ỵ ta cã : P( X ) = ∏ Y (n) (4-15) Y ( n) = ⎨ n =1 ⎩ pn BiÕn nhÊt mµ ta cha biết giá trị pn Đối với yêu cầu lightpath đợc chuyển đổi bớc sóng node WCR thứ n , có hai trờng hợp xảy : (1)Trên tất kết nối dọc theo tuyến bớc sóng chung rỗi, (2) không bớc sóng chung rỗi, nhng đoạn có bớc sóng chung rỗi Chỉ có trờng hợp thứ hai, WC đợc đặt WCR, gọi lightpath yêu cầu thiết lập chuyển đổi lu lợng chuyển đổi Gọi Tn lu lợng chuyển đổi tổng cộng qua node WCR thø n Theo nh− tht to¸n g¸n b−íc sãng, lightpath đợc chấp nhận sử dụng chuyển đổi bớc sóng đợc lu lợng chuyển đổi Hơn xác suất bớc sóng chung rỗi tất kết nối tuyến Ra u Ra (0) , nÕu ta coi tuyÕn Ra lµ đoạn đơn Do Tn đợc tính theo c«ng thøc : Tn = ∑ {A (1 − B a TatcacactuyenquaWCR Ra } )u Ra (0) LUËN V¡N THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông (4-16) - 117 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Giả sử số chuyển đổi node WCR thứ n Z n , ta có lấy xấp xỉ lu lợng chuyển đổi đến node WCR thứ n theo trình Poisson với tốc độ Tn , tạo thành hệ thống M/M/m/m với Z n servers Từ ta rút đợc xác suất pn xác xuất node WCR thứ n chuyển đổi bớc sóng rỗi : j ⎢ Z n ∏ ( Z n − i + 1) ⎥ j =1 ⎥ Pn = ⎢1 + ∑ ⎥ ⎢ j =1 Tnj ⎥ ⎢ ⎦ ⎣ −1 (4-17) Thuật toán số học dùng để giải phơng tr×nh phi tun nh− sau : - B−íc : Khởi tạo BR =0 cho tất tuyến, q j (0) = cho tất kết a nối - Bớc : Xác định j từ biểu thức (4-4) cho tất kết nối - Bớc : Xác định q j (m j ) sư dơng biĨu thøc (4-2) vµ (4-3) cho tÊt kết nối - Bớc : Xác định BR cho tất tuyến sử dụng biểu thức (4-8)-(417) a Nếu giá trị BR hội tụ vào fias trị cũ, trình lặp dừng lại a chuyển sang bớc (5), không quay lại bớc cho trình lặp - Bớc : Cuối xác định xác suất nghÏn tỉng céng B sư dơng biĨu thøc (4-1) B- Thuật toán phân bổ cho mạng SPWC Một vấn đề quan trong cấu trúc mạng SPWC việc đặt chuyển đổi bớc sóng Thông thờng, toán đợc đặt vào trờng hợp mạng có chuyển đổi bớc sóng đặt rời rạc, với khả chuyển đổi đầy đủ (Sparse-complete) Trong cấu trúc SPWC, toán xác định vị trí đặt tối u gồm hai toán con: (1)- Xác định node đợc đặt WCR, (2)- LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 118 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Với tổng số M chuyển đổi, node đợc đặt chuyển đổi Dới mô hình dựa mô để giải hai toán ý tởng để giải toán: Đầu tiên ta thực mô cho mạng Full-Complete Từ kết mô ta quan sát đợc có chuyển đổi bớc sóng đợc thực node Từ đó, ta thu đợc kết thống kê hai tham số cho node thứ n sau: 1) A(n) : Sè bé chun ®ỉi bËn trung trình 2) P(n) : Số chuyển đổi cực đại Từ ta dễ dàng định đặt nhiều chuyển đổi lên node có giá trị A(n) P(n) lớn Thuật toán RWA đợc sử dụng để thiết lập lightpath cho mạng thuật tìm đờng ngắn gán bớc sóng phù hợp (Shortest Path Routing and First Fit) đợc mô tả nh sau qua bớc sau: Bớc 1: Khi nhận đợc yêu cầu thiết lập lightpath hai node (nguồn đích), mạng tìm đờng ngắn hai node Bớc 2: Trên tuyến ngắn này, có kết nối không bớc sóng rỗi, yêu cầu lightpath bị tõ chèi (nghÏn) B−íc 3: NÕu tån t¹i b−íc sãng chung rỗi tất kết nối tuyến, mạng chọn bớc sóng chung rỗi có số nhỏ cho kết nối để thiết lập lightpath yêu cầu (thuật gán bớc sóng First-Fit) Bớc 4: Nếu không, liên kết, sử dụng mô hình gán bớc sóng phù hợp Nếu hai kết nối liên tiếp sử dụng bớc sóng khác nhau, mạng phải sử dụng chuyển đổi bớc sóng node WCR trung gian hai kết nối 3.5.3 Đánh giá chất lợng thuật toán qua mô Trong [3] đà thực mô mạng NSFNET 14 node, kết nối mang 40 bớc sóng, yêu cầu thiết lập lightpath 1.000.000 đợc sinh liên tục Tổng lu lợng mạng 200Erlangs đợc phân bố cho tất cặp LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 119 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON node Thuật toán định tuyến gán bớc sóng SP-FF đợc thực nh mô tả Kết mô đợc cho bảng 3.10 dới Bảng 3.10: Thống kê chuyển đổi bớc sóng mạng NSFNET 14 node Từ giá trị A(n) P(n) bảng 3.8, ta thấy hiệu suất sử dụng chuyển đổi bớc sóng thấp Nhìn chung, node bậc cao có nhiều lu lợng cần chuyển đổi (bypassing traffic) hơn, nên cần sử dụng nhiều chuyển đổi Mặc dù giá trị đỉnh số chuyển đổi bớc sóng sử dụng đồng thời lớn, nhng hầu hết thời gian mô phần nhỏ số bận Để minh họa điều này, [3] đà đa phân bố xác suất số chuyển ®ỉi bËn cho node cho ë h×nh 3.20 H×nh 3.20: Phân bố xác suất số chuyển đổi Nguồn: [3], trang 117 LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 120 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Một u điểm SPWC mang lại cho nhà khai thác dịch vụ khả nâng cấp lên FWC Từ bảng 3.10, ta thấy node 4, 6, 7, 10 có nhiều chuyển đổi bớc sóng xảy Các node 2, 9, 11, 12, 1, 5, quan trọng Các node 8, 13, 14 gần nh không cần chuyển đổi bớc sóng Dựa vào thông tin này, nhà khai thác biết node cần đặt WC Ví dụ ta chọn K={4, 6, 7, 10} để đặt WCR Trong bớc 2, đơn giản ta gán chuyển đổi vào node tập K với số lợng tỉ lƯ víi A(n) VÝ dơ ta cã 50 bé chun đổi, theo thuật phân bổ chuyển đổi đợc đặt nh sau: Node n Số WC đặt 16 13 11 10 10 B¶ng 3.11: Phân bổ chuyển đổi node WCR Hình 3.21: Xác suất nghẽn mạng NSFNET với M=50 M=100 Nguồn: [3], trang 119 LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 121 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Hình 3.21a xác suất nghẽn mạng FPWC (Full-Partial Wavelength Converter) SPWC điều kiện tải khác Ta nhận thấy chuyển đổi bớc sóng làm giảm xác suất nghẽn xuống mức lín So víi 1.6000 bé chun ®ỉi sư dơng mạng FCWC (Full-Complete Wavelength Conversion), mạng FPWCvà mạng SPWC cần sử dụng có 50 chuyển đổi thể đặt đợc chất lợng gần nh ngang Chất lợng mạng FPWC SPWC gần nh giống trờng hợp M=50 Tuy nhiên, rõ ràng chất lợng SPWC nằm dới chất lợng mạng SCWC Để minh họa cho điều này, [3] tiếp tục chuyển thêm số node thành WCR, thực mô Kết hình 3.21b cho thấychất lợng mạng SPWC M=100 gần nh trùng với M=50 Tuy nhiên chất lợng FPWC đợc cải thiện gần với chất lợng mạng FCWC Thực tế ta đa thêm chuyển đổi vào node WCR, chất lợng mạng FPWC tiến gần đến chất lợng mạng FCWC 3.6 Nhận xét chung thuật giải phân bổ Thuật toán GA dựa sở chọn tổ hợp chuyển đổi bớc sóng so sánh tổ hợp với để tìm tổ hợp tối u Thuật toán phức tạp số lợng node lớn nhiều thời gian để có đợc kết nh mong muốn Từ nghiên cứu ta thấy rằng, để giải cách xác toán phân bổ chuyển đổi bớc sóng, phải xem xét thuật toán RWA đợc sư dơng Nh− tht to¸n MBPF sư dơng tèt nhÊt với thuật toán định tuyến gán bớc sóng FAR, WMSL cho LLR Hai thuật toán phân bổ khổng mang lại chất lợng tốt nhiều so với thuật giải tồn trớc đó, mà đạt đợc chất lợng tơng đơng so với mạng FWC sử dụng thuật toán RWA Khi có mặt chuyển đổi bớc sóng mạng truyền dẫn toàn quang, kết mô cho thấy thuật toán định tuyến LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 122 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON động có không tận dụng tài nguyên tuyến quang cách hiệu Thuật toán định tuyến WLCR loại định tuyến động, xem xét kết hợp phân bố bớc sóng rỗi chiều dài tuyến để đa đờng phù hợp Kết mô rằng, thuật giải WLCR-FF đạt đợc xác suất nghẽn tốt nhiều mạng SWC FWC Để tiết kiệm số chuyển đổi bớc sóng phải sử dụng, mô hình mạng SPWC (Sparse-Partial Wavelength Conversion) đà đợc chứng minh mang lại chất lợng tốt với hiệu chi phí cao nhờ kết hợp u điểm mạng SWC chuyển đổi bớc sóng phần Trong mạng số node có khả chuyển đổi bớc sóng, node cố số lợng hạn chế chuyển đổi đợc trang bị Bài toán gán bớc sóng toán đặt chuyển đổi hai yếu tố quan tiết kiệm số chuyển đổi phải sử dụng Cơ thĨ lµ chØ sư dơng 1-5% sè bé chun đổi cần sử dụng FCWC, mạng SPWC đạt đợc chất lợng gần sát với mạng FCWC LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 123 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON KếT LUậN Các mạng WDM toàn quang định tuyến bớc sóng trở thành kiến trúc đầy hứa hẹn tận dụng băng thông lớn sợi quang, cung cấp dịch vụ kênh bớc sãng st (Transparent Lighpath Service) §Ĩ sư dơng hiƯu tài nguyên mạng, bao gồm tài nguyên bớc sóng tài nguyên chuyển mạch, thuật toán định tuyến gán bớc sóng RWA phải đợc thiết kế cẩn thận Chuyển đổi bớc sóng đợc sử dụng chứng minh cải thiện chất lợng mạng nhờ việc loại bỏ ràng buộc tính liên tục bớc sóng Chi phí đầu t triển khai tốn không sử dụng thuật giải phân bổ chuyển đổi bớc sóng cách hợp lí Luận văn đợc chia làm chơng với nội dung chơng nh sau: Chơng 1: Tổng quan mạng truyền dẫn toàn quang Chơng trình bày tổng quan cấu trúc số công nghệ ứng dụng mạng toàn quang Các công nghệ đợc đề cập đến nh công nghệ chuyển mạch quang, công nghệ ghép kênh quang WDM Chơng 2: Định tuyến gán bớc sóng Do chất lợng mạng phụ thuộc vào thuật toán định tuyến gán bớc sóng thuật toán phân bổ chuyển đổi Do trớc tìm hiểu thuật toán phân bổ chuyển đổi bớc sóng, chơng trình bày vai trò nội dung số thuật toán định tuyến thuật toán gán bớc sóng Chơng 3: Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng Trong chơng tác giả đà nêu vai trò chuyển đổi bớc sóng mạng truyền dẫn toàn quang, giới thiệu số mô hình phân bổ chuyển đổi giới thiệu số thuật giải phân bổ tối u đà đợc công bố Tác giả có đa số kết nghiên cứu công trình nghiên cứu giới để có so sánh chất lợng thuật giải LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 124 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON Ngoài việc giới thiệu tổng quan cấu trúc số công nghệ quan trọng mạng toàn quang, luận văn đà khái quát đợc cách tơng đối đầy đủ thuật giải phân bổ bớc sóng đợc sử dụng với thuật toán định tuyến gán bớc sóng cho mô hình mạng Mesh mạng Ring Tác giả đà giới thiệu cách mô hình toán học mạng, cách tính xác suất nghẽn toàn mạng, thuật toán phân bổ chuyển đổi b−íc sãng Sau nghiªn cøu chi tiÕt tõng tht giải trên, tác giả đà rút số nhận xét quan trọng xem xét toán phân bổ chuyển đổi bớc sóng mạng truyền dẫn toàn quang nh sau: Phải xây dựng thuật giải phân bổ riêng cho cấu trúc mạng (mesh, ring, ) Chất lợng mạng phụ thuộc vào thuật toán RWA thuật toán WCP Tuy nhiên thuật toán RWA định chủ yếu đến chất lợng mạng Cấu trúc mạng full-complete có xác suất nghẽn nhỏ Tuy nhiên với số lợng chuyển đổi hạn chế, đợc phân bố hợp lý node mô hình mạng SPWC đạt chất lợng gần với mạng full-complete Mạng AON mạng truyền dẫn hệ tơng lai, có nhiều vấn đề kỹ thuật công nghệ đợc hoàn thiện Việc nắm đợc yếu tố then chốt thiết kế mạng, có vấn đề phân bổ tối u, định đến chất lợng hệ thống quan trọng.Với cách tiếp cận nghiên cứu luận văn, tác giả đà cho ngời đọc thấy tầm quan trọng thuật toán phân bổ chuyển đổi bớc sóng, đặc biệt phơng pháp so sánh thuật giải phân bổ với Em xin gửi lời biết ơn chân thành đến thầy giáo TS.Nguyễn Văn Khang, ngời đà giúp đỡ, bảo tận tình để em hoàn thiện luận văn Em xin biết ơn đến gia đình, bạn bè đà động viên, ủng hộ em suốt trình thực đề tài LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 125 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON TàI LIệU THAM KH¶O [1]- Andre Soares, Jose Maranhao, William Giozza, Paulo Cunha, Fist Load Priority: A Wavelength Converter Placement Scheme for Optical Networks with Sparse-Partial Wavelength Conversion [2]- Xiaowen Chu, Jiangchuan Liu, Zhensheng Zhang, Analysis of SparsePartial Wavelength Networks Conversion in Wavelength-Routed WDM Chu, X (2003) RWA and Wavelength Conversion in WavelengthRouted All-Optical WDM Networks PhD thesis, Hong Kong University [4]- X.W Chu, Bo Li, Zhensheng Zhang, A Dynamic RWA Algorithm in a Wavelength-Routed All-Optical Network with Wavelength Converter, 2003 IEEE INFOCOM [3]- [5]- Xiao Hei, Jun Zhang, Chi-Chung Cheung, Brahim Bensaou “Wavelength Converter Placement in Least-Load Routing based Optical Networks using Genetic Algorithms”, 2003 [6]- A Arora and S Subramaniam, “Converter placement in wavelength routing mesh topologies,” in Proceedings of ICC, vol 3, 2000, pp 1282 –1288 [7]- X.W Chu and B.Li, “Wavelength Converter Placement under the FixedAlternate Routing and First-Fit Wavelength Assignment Algorithm in All-Optical Networks”, SPIE/Kluwer Optical Networking Magazine, Special Issue on Engineering the Next Generation Optical Internet [8]- E.Karasan and E Ayanoglu, “Effects of Wavelength routing and selection algorithms on wavelength conversion gain in WDM optical networks”, IEEE/ACM Trans Netw.6, 186-196 (1998) [9]- Achyut K.Dutta, Niloy K.Dutta, Masahiko Fujiwara, WDM Technologies Optical Networks, 2004, ELSEVIER Academic Press LUËN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 126 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi b−íc sãng m¹ng AON [10]- Louya, Advances in ROADM Technologies and subsystems, LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tư-ViƠn th«ng - 127 - ... bớc sóng giới hạn chuyển bớc sóng ngõ vào LUậN VĂN THạC Sỹ Chuyên ngành: Điện tử-Viễn thông - 11 - Nghiên cứu phân bổ tối u chuyển đổi bớc sóng mạng AON thành số bớc sóng ngõ Một mạng mà có chuyển. .. phải có chuyển đổi bớc sóng lu lợng qua cần chuyển đổi Chính lý đà thúc đẩy nhà thiết kế, quy hoạch mạng tìm thuật giải phân bổ chuyển đổi bớc sóng cho số lợng chuyển đổi bớc sóng sử dụng tối thiểu,... trọng chuyển đổi bớc sóng, yếu tố giá thành, đặc biệt nhận xét d thừa không cần thiết trang bị chuyển đổi bớc sóng node mạng, đà có nhiều công trình nghiên cứu đa thuật toán phân bổ tối u chuyển đổi