Báo cáo tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông

Trường đại học bách khoa hà nội viện điện tử viễn thông, Báo cáo bài tập lớn môn Tổ chức quy hoạch mạng viễn thông Đề tài: Sử dụng giải thuật mentor để tim nút backbone và các nút truy nhập tương ứng với nút backbone

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ~~~~ o0o ~~~~ Báo cáo tập lớn TỔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG Đề tài: Sử dụng giải thuật MENTOR để tìm nút Backbone nút truy nhập tương ứng với nút Backbone Giáo viên hướng dẫn: Thành viên nhóm bao gồm: Hà Nội, tháng 12/2020 A LỜI NĨI ĐẦU Cơng nghệ viễn thơng điện tử tiếp tục tiến nhanh chóng kể từ có phát minh hệ thống điện tín điện thoại đến mức cách mạng hóa phương tiện thông tin truyền thông khoảng kỷ trước Ngày hệ thống thông tin viễn thông điện tử xem phương tiện kinh tế có để trao đổi tin tức số liệu Ngoài song song với phát triển, tăng trưởng kinh tế việc hình thành phương tiện cần thiết cho viễn thông điện tử trở nên phức tạp có khuynh hướng kỹ thuật cao nhằm đáp ứng nhu cầu tăng dịch vụ có chất lượng cao dịch vụ viễn thơng tiên tiến Do việc tổ chức mạng viễn thơng nhằm tạo mạng viễn thơng có đủ khả đáp ứng yêu cầu đóng vai trò quan trọng Đồng thời tổ chức mạng lưới phát triền trở thành phần quan trọng xã hội thơng tin hóa cao tương lai Hệ thống mạng viễn thông tập hợp trang thiết bị kỹ thuật để cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng Các phận cấu thành hệ thống mạng viễn thông: Đối với phần cứng hệ thống mạng viễn thơng bao gồm: • Thiết bị đầu cuối: Để đưa thông tin người sử dụng vào mạng nhận thông tin mạng cho người sử dụng • Thiết bị chuyển mạch: Để liên hệ phía thu phía nhận theo yêu cầu • Thiết bị truyền dẫn: Để liên kết “Đường dây thuê bao” “Đường trục – trung kế” với Các phần mềm hỗ trợ mô • Cho biết phần cứng giao tiếp với  Topo mạng Với topo mạng, ta phần biệt rõ mạng LAN mạng lõi • Các giao thức mạng: TCP/IP, IP, HTTP, FTP, SMTP • Quản lý khai thác mạng Đối với phần mềm phần Kỹ thuật mạng bao gồm phần sau: Về phần mềm việc tổ chức mạng viễn thống ngày trở thành phần quan trọng hệ thống viễn thông giới Để xây dựng hệ thống mạng ngồi thực tế trước tiên ta phải thiết kế mô trước MENTOR – Mesh Network Topology Optimization Routing thuật tốn thích hợp cho việc thiết kế hệ thống mạng khơng phụ thuộc vào đặc điểm công nghệ hay kiến trúc mạng thay vào phụ thuộc vào nguyên tắc thiết kế mạng MENTOR tree ứng dụng cho nhiều loại mạng ví dụ mạng ATM B MỤC LỤC C NỘI DUNG 1.YÊU CẦU CỦA BÀI TẬP LỚN - Cho mạng gồm 100 nút, nút đặt cách ngẫu nhiên (trong mô chứa Panel có kích thước 1000 x 1000) Trọng số liên kết tính round (bằng 0,4x khoảng cách decartes) Sử dụng thuật toán MENTOR để tìm nút Backbone nút truy cập tương ứng với nút Backbone Biết W = 2, R = 0,3 Dung lượng liên kết C = 10 Biết trọng số nút , nút cịn lại có trọng số Sử dụng giải thuật MENTOR để thiết kế topology backbone biết Đưa kết file số đường sử dụng liên kết độ sử dụng liên kết Tính lưu lượng thực tế nút backbone biết lưu lượng nút i i+2 1, Lưu lượng nút i i+4 lưu lượng i i+8 3, lưu lượng nút 28 5, lưu lượng nút 12 46 lưu lượng nút 27 48 4 Nếu tăng thêm lưu lượng nút thêm 20% mạng backbone mạng backbone vừa tạo mục thay đổi 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết chung Trong mạng viễn thơng có nút mạng liên kết với tạo thành hệ thống mạng Một hệ thống mạng có nhiều thiết bị truy cập (Access Network) mạng access kết nối với thơng qua đường trục (Backbone Network) Vì nút mạng chia làm loại, nút truy nhập nút backbone Trong mạng truy nhập (LAN) có nút backbone nút access khác, nút access muốn kết nối với nút mạng truy nhập khác phải thông qua nút backbone Mạng backbone cầu nối để mạng truy nhập kết nối với nhau, mạng thiết lập qua nút backbone Các tiêu, yêu cầu kỹ thuật tính chất hai mạng khác nhau, toán đặt thiết lập hệ thống mạng nút mạng cho trước để đảm bảo số tiêu chuẩn, yêu cầu định tối ưu số mặt cần thiết Chương trình sử dụng thuật tốn MENTOR để giải toán Để thiết lập mạng access sử dụng thuật toán prim-dijsktra để thiết lập mạng backbone ta dung thuật toán MENTOR Ta có thơng số giả thuyết sau:  Tổng số nút mạng toàn hệ thống mạng ký hiệu N đánh số từ  N-1  Để biểu diễn liên hệ nút mạng với ta có ma trận sau: o Ma trận chi phí Cost [NxN]: Đây ma trận chiều đối xứng, chứa chi phí kết nối nút Hàng i cột j chứa giá trị chi phí từ nút i đến nút j o Ma trận yêu cầu Req[NxN]: Đây ma trận chiều đối xứng, chứa mức độ yêu cầu liên lạc nút với Hàng i cột j chứa giá trị yêu cầu từ nút i đến nút j o Ma trận dung lượng tối đa Cmax[NxN]: ma trận đối xứng chiều, chứa giá trị hiệu dụng tối đa dung lượng kênh liên kết nút o Từ ma trận yêu cầu Cmax ma trận chi phí Cost ta xây dựng ma trận số W nút 2.2 Thuật toán Mentor - Thuật toán Mentor gồm bước:  Tìm tâm C mạng  Xác định nút backbone mạng  Xây dựng kết nối nút backbone với 2.2.1 Tìm tâm C mạng: - Ta tính: Moment (i) = - Nếu Moment (i) đạt giá trị nhỏ tất nút i tâm C mạng - Trong đó:  N tổng số nút mạng  trọng số nút j  giá liên kết (i,j) 2.2.2 Xác định nút backbone mạng - Bước 1: Xác định nút backbone thỏa mãn tiêu chuẩn trọng số:     Trọng số nút W(i) tổng tất lưu lượng vào nútđó Liên kết có dung lượng C Trọng số chuẩn hóa nút i NW(i) = Nếu nút có NW(i) > w, nút chọn làm nút backbone, với w tham số cho trước - Bước 2: Xác định MAXCOST: MAXCOST = cost( = - Bước 3: Xác định nút truy nhập nút backbone xác định:  Tất nút không thỏa mãn điều kiện trọng số gần nút xương sống (nút backbone) chọn nút đầu cuối  R bán kính: R = MAXCOST PRARM  Lấy nút backbone i làm tâm quay vịng trịn bán kính R, nút vịng trịn mà khơng phải nút backbone nút truy nhập (access) nút backbone - Bước 4: Xác định nút backbone nút truy nhập cho nút lại:  Tìm trung tâm trọng lực nút () - = - = - Với ( W(i) tọa độ trọng số nút i  Khoảng cách CG - max dc = max( - max W = max(W(i))  Tìm hàm thưởng (merit) - Merit đưa giá trị cân vị trí gần trung tâm trọng số - + 0.5 *  Phân loại nút lại - Chọn nút có thưởng lớn chuyển thành nút backbone - Phân loại nút thành nút truy nhập (Từ nút backbone, quay vịng trịn bán kính R, nút thuộc vịng trịn mà khơng phải nút - backbone nút truy nhập) Quá trình tiếp tục tất nút phân loại 2.2.3 Xây dựng kết nối nút backbone với - Ở ta xác định nút backbone nút truy nhập, ta sử dụng Prim-Dijkstra với tham số α để xây dựng kết nối - nút backbone với Cây MST (Minimum Spanning Tree): Cây bắc cầu tối thiểu, đại diện thuật - toán Prim o Total length = o Total path = max Cây SPT (Shorted Path Tree) : Cây theo đường ngắn nhất, đại diện thuật - toán Dijkstra o Total length = max o Total path =min Cây Prim-Dijkstra với tham số: o Nhãn Prim : o Nhãn Dijkstra: o Nhãn Prim – Dijkstra: - Với α € [0,1] o o Prim Dijkstra 2.3 Thuật toán MENTOR II 2.3.1 Đặt vấn đề: - Sau thiết kế xong mạng, vấn đề lưu lượng qua đâu Nếu sử dụng thuật toán Prim-Dijkstra, số lượng liên kết mà đảm bảo có đường nút Tuy nhiên với thiết kế thế, tồn liên kết mà lưu lượng qua lớn, điều đồng nghĩa với việc - khơng đảm bảo tính ổn định cho mạng Như cần cải thiện giải thuật Mentor thêm liên kết trực tiếp xem xét đến giới hạn thuật toán định tuyến Kết thuật toán Mentor II đời 2.3.2 Thuật toán Mentor II - - Thuật toán Mentor II sử dụng ma trận kích thước NxN: o Ma trận : ma trận khoảng cách đường ngắn o Ma trận ma trận trỏ nút, lưu vị trí nút đường ngắn hai nút i j Hai ma trận cập nhật sau lần thêm liên kết Các bước giải Mentor II tương tự Mentor I thêm bước “thêm liên kết trực tiếp” 2.3.2.1 Thêm liên kết trực tiếp: - Khi xem xét liệu có thêm liên kết trực tiếp nút nguồn S nút đích D với độ dài liên kết SD = L, ta xây dựng s_list d_list o s_list với ý nghĩa tập nút “được hưởng lợi” muốn đến nút khác dùng liên kết trực tiếp SD o d_list với ý nghĩa tập nút “được hưởng lợi” muốn đến nút khác dùng liên kết trực tiếp DS - Với ý nghĩa trên, cách xây dựng s_list d_list sau: o Thêm nút vào s_list nếu: sp_dist[node,s] +L < sp_dist[node,d] o Thêm nút vào d_list nếu: sp_dist[node,d] +L < sp_dist[node,s] - Xem xét tất cặp (, đó: Khi đó, lưu lượng ( chuyển sang liên kết dự định nếu: sp_dist[,s] + L + sp_dist[d, ] < sp_dist[ - Độ dài lớn ấn định lưu lượng ( để chuyển theo đường là: maxL = sp_dist[ - sp_dist[,s] - sp_dist[d, ] - Nếu độ dài liên kết ( ấn định khoảng (L, maxL) lưu lượng chuyển theo đường SD Hình Ví dụ xây dựng s_list d_list 2.3.2.2 Thuật toán ISP (Incremental Shortest Path) - Đây bước cải tiến để đáp ứng phần yêu cầu Mục đích thuật tốn ISP xác định tất cặp sử dụng liên kết trực tiếp thay cho liên kết Hình Lưu đồ thuật tốn ISP TRIỂN KHAI THUẬT TỐN 10 Hình Nhập số liệu mơ 11 Hình Các node backbone ban đầu 12 Hình Các node truy nhập ban đầu 13 Hình Tất nút backbone truy nhập 14 Hình Cây truy nhập đưa vào prim-dijsktra 15 Hình Đồ thị ban đầu 16 Hình Đồ thị tăng 20% lưu lượng 17 KẾT LUẬN Qua tập lớn này, chúng em phần hiểu rõ thuật toán MENTOR cách hình thành theo thuật tốn MENTOR xây dựng MST PST Đặc biệt, chúng em rèn luyện kỹ làm việc nhóm độc lập cho cá nhân.Nhóm mơ thuật toán phần mềm Matlab giúp chúng em hiểu cách sâu sắc Tuy nhiên, thời gian có hạn trình độ cịn hạn chê nên q trình thực khơng tránh khỏi sai sót chưa mong muốn, chúng em hy vọng thực tốt đề tài sau Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy 18 D TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Backbone_network [2] https://ieeexplore.ieee.org/document/81738 [3].https://www.semanticscholar.org/paper/An-Implementation-of-the-MENTORAlgorithm-for-Botha-Zuurmond [4] Bài giảng môn Tổ chức quy hoạch mạng viễn thông 19 ... chất lượng cao dịch vụ viễn thông tiên tiến Do việc tổ chức mạng viễn thơng nhằm tạo mạng viễn thơng có đủ khả đáp ứng u cầu đóng vai trị quan trọng Đồng thời tổ chức mạng lưới phát triền trở... Hệ thống mạng viễn thông tập hợp trang thiết bị kỹ thuật để cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng Các phận cấu thành hệ thống mạng viễn thơng: Đối với phần cứng hệ thống mạng viễn thơng... thiết kế hệ thống mạng khơng phụ thuộc vào đặc điểm công nghệ hay kiến trúc mạng thay vào phụ thuộc vào nguyên tắc thiết kế mạng MENTOR tree ứng dụng cho nhiều loại mạng ví dụ mạng ATM B MỤC LỤC