Điều khiển tắc nghẽn trong mạng VDM

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Trường Đại Học Bách Khoa -o0o - NGUYỄN TƯỞNG DUY ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG WDM ( CONGESTION CONTROL IN WDM NETWORK ) CBHD: TS PHẠM HỒNG LIÊN Chun ngành: Kỹ thuật vơ tuyến điện tử Khóa : 14 Mã số ngành : 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hờ Chí Minh, tháng 07 năm 2005 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn Thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC TPHCM, ngày tháng năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên: NGUYỄN TƯỞNG DUY Ngày tháng năm sinh: 01/01/1980 Chuyên ngành: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ I TÊN ĐỀ TÀI : Phái: Nam Nơi sinh: Quảng Ngãi MSHV: 01403313 ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG WDM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu giải pháp tối thiểu xác suất tắc nghẽn mạng WDM bao gồm : Các giải thuật định tuyến gán bước sóng Các kỹ thuật chuyển đổi bước sóng Thực mơ giải thuật kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19-1-2005 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-6-2005 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS.PHẠM HỒNG LIÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn Thạc sĩ Hội đồng Chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm 2005 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN TƯỞNG DUY NGÀY THÁNG NĂM SINH: 01 tháng 01 năm 1980 NƠI SINH: Quảng Ngãi ĐỊA CHỈ LIÊN LẠC: Phịng 302G c.c Bàu Cát 2-Tân Bình- Thành phố Hồ Chí Minh Q TRÌNH ĐÀO TẠO: Từ năm 1997 đến năm 2002: học Đại học trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh (ngành Điện – Điện tử) Điểm luận văn : 9.57 Tốt nghiệp loại Giỏi Từ năm 2003 đến năm 2005: học Cao học trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh (chun ngành Kỹ thuật vơ tuyến điện tử) Q TRÌNH CÔNG TÁC: Từ năm 2002 đến (07/2005): giảng viên Khoa Điện – Điện tử thuộc trường Đại học Bán cơng Tơn Đức Thắng – Thành phố Hồ Chí Minh CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ: “Nhận dạng tiếng nói Việt dùng Wavelets Neural network” – TS Lê Tiến Thường, KS Nguyễn Tưởng Duy, KS Lư Mỹ Linh – Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ – Đại học Bách Khoa TPHCM Đang tham gia đề tài“Quản lý lưu lượng mạng thông tin”, đề tài nghiên cứu cấp TS Phạm Hồng Liên làm chủ nhiệm đề tài LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gởi đến Phạm Hồng Liên kính trọng lịng biết ơn sâu sắc dìu dắt, dạy bảo, hướng dẫn tận tình Em xin chân thành cảm ơn đến thầy cô tận tình bảo truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt hai năm cao học ngành Kỹ Thuật Vơ Tuyến Điện Tử, Khóa 14, Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Cuối cùng, chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè giúp đỡ tạo điều kiện trình thực luận văn TP.Hồ Chí Minh, tháng năm 2005 Nguyễn Tưởng Duy ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG 1.1 Sơ lược mạng viễn thông Một mạng viễn thông bao gồm nút thiết bị viễn thông đầu cuối nút mạng liên kết nối liền nút với Một mạng truy cập nối thiết bị đầu cuối đến nút mạng; mạng đường trục nối nút mạng với Một mạng truy cập mạng điểm-điểm, mạng mơi trường dùng chung Hình trình bày mạng truy cập dùng chung dạng bus thiết bị đầu cuối phải tranh chấp tài nguyên môi trường dùng chung kỹ thuật truy cập song song cần thiết Trong phân cấp tự nhiên mạng truy cập mạng đường trục, mạng viễn thông cấu trúc kiểu level-by-level Thơng thường, mạng AT&T có sử dụng mức phân cấp, mạng viễn thông thời sử dụng mức, : Chuyển mạch Toll End-office Có kỹ thuật chuyển mạch mạng viễn thông: Chuyển mạch mạch Chuyển mạch gói Chuyển mạch tế bào Những mạng chuyển mạch mạch đề dịch vụ hướng tới kết nối, nơi mà kết nối thiết lập từ đầu cuối đến đầu cuối trước thông tin truyền giới hạn tài nguyên dành riêng cho toàn khoảng thời gian kết nối Trong mạng chuyển mạch mạch, trì hỗn xuất trước sau thông tin truyền, khơng có trì hỗn thêm khơng có mào đầu suốt thời gian thông tin truyền Những mạng chuyển mạch gói đề dịch vụ hướng tới khơng kết nối khơng có thiết lập kết nối khơng có hạn chế tài ngun Nó đề cho dịch vụ hướng tới kết nối mà kết nối ảo thiết lập từ đầu cuối đến đầu cuối thông tin truyền nơi khơng có hạn chế tài ngun dành riêng Dữ liệu truyền gói riêng biệt với chiều dài khác Chuyển mạch gói hướng tới không kết nối yêu cầu mang thông tin địa nơi đến, chuyển mạch gói hướng tới kết nối chi sử dụng địa mạng cục Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang Trong mạng chuyển mạch gói hướng tới khơng kết nối, nơi khơng có trì hỗn trước liệu truyền, suốt thời gian truyền gói phải mang mào đầu nó, bị trễ chờ đợi việc xử lý gói trải qua thời gian trễ xếp hàng (khi mà gói tranh chấp cho tài ngun nối với nhau) Hình 1.1 Mạng viễn thơng Chuyển mạch tế bào yêu cầu dịch vụ hướng tới kết nối, nơi mà kết nối ảo thiết lập từ đầu cuối đến đầu cuối trước liệu truyền, nơi tài nguyên dành riêng không bắt buộc Dữ liệu truyền tế bào, tế bào có chiều dài cố định địa cục Trong mạng chuyển mạch tế bào, cell mang thông tin mào đầu phải chờ đợi xử lý thông tin gói trải qua trì hỗn xếp hàng (nếu tài ngun khơng có sẵn trước thực kết nối) Chuyển mạch mạch Sử dụng tài nguyên mạng Toàn vẹn liệu Đảm bảo thời gian thực Linh hoạt Các dạng lưu lượng khác Ứng dụng Chuyển mạch gói khơng kết nối Chuyển mạch gói định hướng kết nối Chuyển mạch tế bào Không hiệu Rất hiệu Hiệu Hiệu Đảm bảo Không đảm bảo Đảm bảo Có thể Có Khơng Khơng Có thể Rất Có Rất tốt Khơng Tốt Có Tốt Có PSTN IP,SS7 X25, Frame Relay ATM Bảng 1.1 : Các loại chuyển mạch đặc tính Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang Bảng 1.1 trình bày tóm tắt chuyển mạch mạch chuyển mạch gói khơng hướng tới kết nối, chuyển mạch gói hướng tới kết nối, chuyển mạch tế bào Sự khác kiểu chuyển mạch mạch so sánh với việc sử dụng tài nguyên mạng, toàn vẹn liệu, đảm bảo thời thời gian thực, tính linh hoạt, kiểu kênh lưu lượng khác nhau, ứng dụng thực tế Mạng viễn thông mạng PSTN mạng hoàn tương tự, mạng ISDN GSM mạng hoàn toàn số bao gồm thiết bị đầu cuối phần tử truy cập mạng Những mạng chuyển mạch gói chuyển mạch tế bào mạng hoàn số 1.2 Sơ lược truyền thông quang học 1.2.1 Các khái niệm Chúng ta xét liệu truyền qua sợi quang mục suốt thời gian truyền dẫn sợi quang, ánh sáng phát từ nguồn quang ghép vào lõi sợi quang nhựa hay thuỷ tinh hình trụ, sau lan truyền dọc theo sợi quang đến đầu thu khác Có hai loại nguồn sáng Led (light-emitting diode) ILD (injection laser diode), vật liệu bán dẫn mà tạo chùm ánh sáng điện áp Led tương đối rẻ thời gian hoạt động dài Led hoạt động mức nhiệt độ cao ILD hoạt động nguyên tắc tia laser khả sinh liệu tốc độ cao với độ rộng phổ tần nhỏ bị sắc Mạng quang đánh dấu đời laser điều chỉnh bước sóng hoạt động vùng bước sóng 1,55um “Tuneable” thiết bị tạo nhiều ánh sáng với bước sóng khác Hình 1.2 : Các dãi bước sóng có suy hao thấp cho truyền thông WDM Một máy thu quang thiết bị bán dẫn mà tách sóng ánh sáng tạo dịng điện Như làm việc ngược với LED Thiết bị nhận quang mô tả giới hạn ba tham số: hiệu suất máy thu, khoảng bước sóng quang, thời gian đáp ứng, mức nhiểu máy thu Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang Ba vùng băng thông với mức suy hao thấp chọn sử dụng truyền dẫn quang, chúng có tâm nằm vùng: 0.85; 1.3; 1.55 um Băng thông không sử dụng nhiều, cung cấp liệu tốc độ thấp cho khoảng cách giới hạn Hai vùng băng sóng khác sử dụng hệ thống truyền dẫn WDM tốc độ cao Hình 2.2 trình bày vùng băng thông sử dụng hệ thống WDM với mức suy hao thấp, cung cấp dải thông 50THz Trong hệ thống thông tin liên lạc, liệu tương tự/số truyền phương pháp tín hiệu trình bày ví dụ tín hiệu liên tục, tín hiệu sóng since, mà đại diện ba tham số: biên độ (A); tần số (f); phase ( ϕ ) Biên độ giá trị đỉnh lớn tín hiệu thời gian Tần số tốc độ mà tín hiệu lặp lại Một tham số nửa liên quan chu kì tín hiệu T mà đo khoảng thời gian chu kỳ Pha đại lượng đo lường vị trí tương đối từ điểm quy chiếu bên chu kì đơn tín hiệu Hình 1.3 : Tín hiệu A sin(2πft + ϕ ) Bước sóng tín hiệu đại diện cho chiều dài chu kì, khoảng cách hai điểm pha tương ứng hai chu kì liên tiếp Bởi bước sóng định nghĩa là: v λ = v.T = (1.1) f Mặt khác, tín hiệu số riêng gồm mức Tín hiệu số khơng mang liệu số mà mang liệu liên tục mã hố Một tín hiệu số tuần hồn sóng vng, mà đại diện : A, f ϕ Hình 1.4 Một xung vuông ( A, f , ϕ ) 1.2.2 Sự suy hao truyền dẫn quang: Hiện tượng mà công suất tín hiệu giảm dần khoảng cách xa tín hiệu truyền biết suy giảm Khi có suy giảm, tín hiệu phải đủ mức cho phép để máy thu tách tín hiệu phải giữ cho mức tín hiệu ln cao tín hiệu nhiễu kênh Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM Chương ~ Tổng quan mạng truyền dẫn quang Cơng suất tín hiệu làm tăng cách sử dụng khuếch đại trường hợp khoảng cách truyền dẫn xa Cộng vào đó, suy giảm hàm tăng theo tần số Hình trình bày mức nhiễu thấp sợi quang 0.2dB/Km xuất vùng 1.55um bên cạch điểm mà gia tăng băng thơng lên, suy hao tăng lên cách nhanh chóng Sự suy hao sợi quang biểu thị công thức: p' N db = −10 log10 (1.2) p P P’ biểu thị cho suy hao tính theo dB/Km, cơng suất tín hiệu đo đạt đầu sợi quang/1Km, đầu vào cơng suất tín hiệu tương ứng 1.2.3 Sự tán sắc Sự tán sắc hiệu ứng mà thành phần tần số khác tín hiệu truyền dẫn truyền với vận tốc khác sợi quang Có nhiều kiểu tán sắc khác truyền thông sợi quang Bao gồm tán sắc sợi quang đa mốt, tán sắc phân cực tán sắc thể Tán sắc đa mốt xuất sợi quang đa mốt, tín hiệu trải khoảng thời gian vận tốc truyền tín hiệu quang phát không giống cho tất mốt Sự phân cực mô tả định hướng sóng ánh sáng Những phân cực khác ánh sáng truyền tốc độ khác xuyên qua sợi quang nguyên nhân tán sắc phân cực Sự tán sắc sắc thể định rõ bước sóng lệ thuộc vào vận tốc phát yếu tố vật liệu chế tạo làm sợi quang Số lượng tán sắc phụ thuộc vào bước sóng Sự tán sắc vấn đề, dẫn đến kết giao thoa tín hiệu sợi quang dài Một cách khác để giảm bớt tán sắc gia tăng thêm khoảng cách xung ánh sáng, cách làm giảm vận tốc tín hiệu làm giảm tốc độ liệu 1.2.4 Những hiệu ứng phi tuyến Một hệ thống phi tuyến mô tả đầu hàm tuyến tính đầu vào Khi mà cơng suất nguồn quang bên sợi quang nhỏ hệ thống tốc độ bit thấp, sợi quang bị xem mơi trường tuyến tính có nghĩa tổn hao số khúc xạ (RI) sợi quang độc lập với cơng suất tín hiệu RI thuộc tính lõi sợi quang xác định ánh sáng truyền sợi quang nhanh Đáp ứng gia tăng ngày cao tốc độ bit hệ thống WDM , công suất quang sợi quang phải tăng lên Khi mà công suất đạt đến mức cao hệ thống, tác động hệ thống phi tuyến xuất hiện, tổn hao RI độc lập với cơng suất quang tín hiệu sợi quang Hiệu ứng phi tuyến bao gồm hiệu ứng Kerr hiệu ứng Scattering Hiệu ứng Kerr quan hệ số khúc xạ độ nhạy ánh sáng tín hiệu Điều dẫn đến kết quả: Tự điều chế pha, nơi mà bước sóng trải vào bước sóng kế bên Điều chế xuyên pha, nơi bước sóng khác trải vào lẫn Trộn bốn bước sóng, nơi mà vài bước sóng tương tác tạo bước sóng Những hiệu ứng tán xạ liên quan đến tổn hao kích thích tín hiệu liên quan ánh sáng sợi Hiệu ứng tán xạ bao gồm hiệu ứng Raman hiệu ứng Brillouin Nguồn phát lại bước sóng dài tùy vào suy hao Những hiệu ứng phi tuyến nói chung khơng tốt chúng làm cho tín hiệu khó thu, điều giải thích cho sai Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ... cấu hình lại, có khả điều khiển từ xa phần mền không ? Khả điều khiển từ xa cần thiết cho chế quản lý mạng tương lai Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM 30 ~ Chương Tổng quan mạng WDM Các kiến trúc... đến, chuyển mạch gói hướng tới kết nối chi sử dụng địa mạng cục Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang Trong mạng chuyển mạch gói hướng tới khơng kết nối, nơi khơng... Phương pháp định tuyến Điều khiển tắc nghẽn mạng WDM ~ Chương Tổng quan mạng truyền dẫn quang bước sóng có suy hao cơng suất thấp địi hỏi điều khiển chuyển đổi bước sóng xác Trong hai phương pháp