c. Kết cấu OXC dựa vào chuyển mạch chia bước súng
1.5 Cỏc tham số đặc trưng của mạng quang
Việc quy hoạch định cỡ mạng, trong đú cú định tuyến khụng thể khụng tớnh đến cỏc tham số đặc trưng của mạng, cú những vấn đề cụng nghệ hiện tại chưa vượt qua, cú những ràng buộc về vật lý, ràng buộc về topo đối với việc ỏp dụng vào mạng quang. Hay như việc lựa chọn kiến trỳc hai lớp hay ba lớp. Mục đớch của phần này là đưa ra thảo luận cỏc tham số khỏc nhau để tớnh toỏn cho phộp định tuyến trong tương lai và định cỡ mạng quang. Sau đõy là cỏc tham số đặc trưng của mạng quang trong đú cỏc giới hạn yờu cầu trong định tuyến núi riờng và quy hoạch thiết kế mạng núi chung.
1.5.1 Đặc trưng riờng của mạng quang
1. Dung lượng cao : Mạng lừi phải sử dụng với nhiều ứng dụng và dịch vụ được dự tớnh trong tương lai, với độ rộng băng tần khỏc nhau. Do đú mạng phải cú dung lượng lớn và cú khả năng kiểm soỏt tớn hiệu của kờnh quang. 2. Sự trong suốt : Với chức năng quang học và để giảm bớt sự phức tạp của
thiết bị, tớn hiệu phải hoàn toàn trong suốt trong miền quang. Cú một vài dịch vụ cú thể xỏc định như là khuụn dạng tớn hiệu, tốc độ bit, mode truyền tải dịch vụ. Sự trong suốt thường khụng tồn tại, trong khi cỏc ràng buộc vật lý luụn luụn gõy ra giới hạn của sự trong suốt.
3. Tớnh linh hoạt: Tham chiếu tới khả năng của mạng để điều tiết thay đổi trong những mẫu lưu lượng. Điều này cú thể dễ dàng trong mạng quang khi tớnh hạt của tớn hiệu được kiểm soỏt.
4. Tớnh kết nối được: là khả năng thiết lập kết nối một cỏch độc lập với trạng thỏi thực trạng của mạng. Khả năng kết nối đầy đủ cú nghĩa là bất kỳ kết nối nào giữa hai node bất kỳ của mạng cú thể thiết lập ở bất kỳ mọi thời điểm. Trong mạng quang là cỏc bước súng cú thể dựng được, khúa OXC hoặc giới hạn số bước súng của OADM là giới hạn chớnh của sự hạn chế khả năng kết nối quang toàn điện.
5. Tớnh phỏt triển: Là khả năng cung cấp dung lượng hoặc chức năng của mạng bằng cỏch thờm thiết bị mới đồng nhất. Trong mạng quang việc tăng dần cỏc bước súng cú thể sử dụng được mà khụng thay đổi toàn bộ thiết bị WDM là một thể hiện tớnh phỏt triển.
1.5.2 Cỏc tham số liờn quan đến topo mạng
Sự định nghĩa của mạng thiết kế những quy tắc cho mạng quang WDM, giỏ trị của những thuật giải tối ưu về topo mạng và cỏc cụng cụ quy hoạch mạng phải được sử dụng những mụ phỏng số. Tuy nhiờn, sự minh họa của cỏc kết quả chung cú thể đạt được trong vài trường hợp, mà cung cấp cỏc quy tắc thiết kế đơn giản cú thể sử dụng cho cỏc nguyờn tắc quy hoạch mạng. Một số tham số mạng quan trọng đú là:
• Số cỏc node (N), một node là nguồn của lưu lượng (kờnh quang) hoặc là node trung gian thuần tỳy.
• Độ kết nối node (D), được định nghĩa như là số trung bỡnh của cỏc node trực tiếp (khụng qua bất kỳ transit nào) được kết nối tới một node qua một hoặc nhiều sợi.
• Độ dài tuyến (LF) được chuẩn húa cho khoảng cỏch node. • Số sợi trờn một tuyến (F)
• Dạng hỡnh thự của mạng. • Mật độ mạng.
Từ những tham số này, nú được chứng minh bởi sự ước lượng gần đỳng W, số bươc súng được yờu cầu để phự hợp với nhu cầu lưu lượng (T là số kờnh trờn kết nối) được tớnh bởi cụng thức sau. W ≈ F DFL T N N . 2 1 2 1 3/2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Π − (1.23)
Tuy nhiờn, những tham số này chưa thểđầy đủ hoàn toàn cho việc mụ tả một mạng, từ topo đặc tớnh cần được chỳ ý . Mật độ mạng được dịnh nghĩa bởi cụng thức : d = 1 − N D
Tham số này phản ỏnh độ sõu của lưới trong mạng, đưa ra node mạng cốđịnh trong mạng, những giỏ trị cực đại đạt được với mạng Mesh đầy đủ (d = 1) và
ring ( d = 1 2
−
n ). Hỡnh 1.43 mụ tả nhiều trạng thỏi khỏc nhau của cỏc topo mạng với mật độ tuyến đó cho.
Full Mesh Mesh Ring Mesh
D = 4, N = 5 D = 3, N = 6 D = 2, N = 6 D= 2,5, N = 8
d = 1 d = 0.6 d = 0,4 d = 0.357 Hỡnh 1.43 Cỏc thớ dụ về cỏc mẫu mật độ khỏc nhau
1.5.3 Cỏc tham số liờn quan tới những giới hạn vật lý
Chất lượng của tớn hiệu qua mạng ỏp đặt những quy tắc kỹ thuật cho quy hoạch mạng. Trong một mạng hoàn toàn quang, dữ liệu cần truyền nguyờn là tớn hiệu quang trờn tất cả cỏc tuyến trờn lớp quang. Tuy nhiờn, mỗi tuyến khụng thể đơn giản như tuyến WDM điểm – điểm, bởi vỡ cỏc tớn hiệu trờn cỏc tuyến khỏc nhau cú thểđi qua một số thiết bị khỏc, số cỏc bước súng đặc trưng cho tớn hiệu trờn cỏc sợi cú thể khỏc nhau với cỏc tuyến khỏc nhau. Những giới hạn vật lý dẫn đến giảm chất lượng của tớn hiệu qua xuyờn õm, mộo tớn hiệu và nhiễu tớch lũy. Thiết kế của cỏc kết nối chộo và định nghĩa kiến trỳc của cỏc node cú thể bảo đảm node đú thực hiện cỏc chức năng cần thiết. Tuy nhiờn cú một vấn đề là bao nhiờn node cú thể được xếp tầng dọc theo tuyến quang trong khi phải giữ chất lượng tớn hiệu ở mức chấp nhận được. Vỡ sự tỏi tạo tớn hiệu phải thực hiện được, do vậy giới hạn của độ dài tuyến quang cần được quan tõm và nú cú giới hạn nhất định. Một số vấn đề liờn quan đến giới hạn số bước súng trờn mỗi sợi vỡ vấn đề xuyờn õm và giới hạn băng tần khuếch đại. Khú khăn cú thể khắc phục bằng cỏch tỏi sử dụng bước súng. Nhưng điều này lại làm khú khăn cho việc phõn phối bước súng và vấn đềđịnh tuyến. Những tham số sau đõy cần quan tõm nú liờn quan đến chất lượng của tớn hiệu.
• Giỏ trị trung bỡnh và lớn nhất của độ dài đoạn nối trong mạng • Số node quang lớn nhất mà cú thểđi qua mà khụng cần tỏi tạo • Độ dài tuyến quang lớn nhất mà khụng cần tỏi tạo
• Số bước súng, kờnh quang được sử dụng trờn nỗi sợi • Giảm cấp BER và băng thụng của hệ thống
• Sự tớch hợp cỏc kờnh quang riờng (mức cụng suõt phỏt quang, độổn định bước súng …)
• Thời gian cấu hỡnh lại (định truyến lại và chuyển mạch thời gian)
1.5.4 Cỏc tham số liờn quan đến nhu cầu lưu lượng mạng
Ma trận nhu cầu là rất quan trọng trong quỏ trỡnh quy hoạch, bởi vỡ nú cú thể làm ảnh hưởng đến sự lựa chọn cấu hỡnh, phương ỏn chuẩn bị và định truyến, đặc trưng truyền tải của lớp … Về nguyờn tắc, ma trận nhu cầu cho lớp quang phải đựợc biểu diễn qua cỏc bước súng , nhưng thường nú được biểu diễn bởi đơn vị thụng thường của lớp client (SDH, ATM…..) mà điều đú cho phộp quy hoạch thiết kế lớp quang, một mức độ tự do cao hơn trong thiết kế lớp quang.
Phõn phối lưu lượng
Phõn phối lưu lượng trong cỏc node quang là một đặc điểm quan trọng của mạng. Những cỏch phõn phối khỏc nhau cú thể dẫn nhà quy hoạch hướng về kiến trỳc mạng quang khỏc nhau và cho phộp và cho phộp sử dụng những phương phỏp giải thuật khỏc nhau trong quỏ trỡnh quy hoạch.
Cấu trỳc khung của kờnh quang
Thiết kế của cỏc mạng truyền tải hiện tại là dựa trờn lưu lượng tĩnh, cỏc đối tượng cần được tớnh toỏn tối ưu. Thụng thường, cỏc đầu vào cho cỡ Mbit/s. Cấu trỳc khung hoặc dung lượng kờnh, định nghĩa sự tương ứng giữa ma trận nhu cầu trong lớp quang và cỏc ma trận bước súng. Sự lựa chọn cấu trỳc khung được thể hiện bằng lựa chọn cụng nghệ. Hầu hết cỏc hệ thống đa bước súng hiện cú sử dụng cấu trỳc khung STM-16, những nghiờn cứu đó chỉ ra cú thể sử dụng đến STM-64 cho phộp trộn nhiều cấu trỳc khung của kờnh quang trờn cựng một sợi.
Dung lượng trờn mỗi đoạn nối
Cỏc giới hạn vật lý dẫn đến giới hạn của số kờnh quang trờn sợi. Nguồn phỏt đối với mỗi bước súng phải đủ lớn để cung cấp tớn hiệu trờn tạp õm tại đầu thu. Tuy nhiờn nú khụng thể tăng mói cụng suất của nguồn quang được vỡ bộ khuếch đại quang cú thể bóo hũa và cú hiệu ứng phi tuyến như trường hợp trộn bốn bước súng sẽ làm giảm hiệu năng truyền dẫn tớn hiệu. Do đú cú sự cõn bằng
dung lượng trờn mỗi đoạn nối, khoảng cỏch bộ khuếch đại và số tầng khuếch đại trờn toàn tuyến.
Dự bỏo nhu cầu đỏp ứng
Tựy thuộc vào cỏc yờu cầu dịch vụ mạng, nhiều loại nhu cầu lưu lượng khỏc nhau được mang trờn tầng quang: Tớn hiệu video, data, thuờ kờnh riờng… Tốc độ bit cho mỗi loại này cú thể khỏc nhau. Quỏ trỡnh quy hoạch bao gồm dự bỏo và đỏp ứng cho những cho những loại tớn hiệu này vào lớp quang. Sự chuẩn bị cú thể dựa vào phõn phối nhu cầu quang, những yờu cầu của chỳng. Với mục đớch đú, việc chuẩn bị tốt nhất cú thể tớnh đến tỏc động của lớp quang, nhúm cỏc nhu cầu lưu lượng lớp client như SDH, thành cỏc luồng quang đểđịnh tuyến sao cho tối ưu nhất về việc sử sụng tài nguyờn, trỏnh lưu lượng trờn một tuyến nối quỏ cao trong khi lưu lượng trờn tuyến khỏc lại quỏ thấp, lóng phớ tài nguyờn. Hỡnh sau miờu tả quỏ trỡnh nhúm cỏc lưu lượng lớp SDH thành lưu lượng giữa cỏc node quang.
1.5.5 Những tham số liờn quan đến kiến trỳc Mạng một cấp và mạng cú kiến trỳc Mạng một cấp và mạng cú kiến trỳc
Mạng cú thể được cấu trỳc theo hai cỏch: Phẳng (một cấp) và mạng cú kiến trỳc. Mạng một cấp khụng cú sự bắt buộc nào về định tuyến lưu lượng trong khi một mạng cú kiến trỳc là cú, về nguyờn tắc việc giao tiếp giữa hai node đồng kiến trỳc sẽ qua một hoặc nhiều node cấp cao hơn. Thụng thường lưu lượng trờn mạng viễn thụng lớn thường được chia thành kiến trỳc nhiều lớp xếp chồng. Thụng thường là 2 hoặc 3 lớp, trong một vài trường hợp đặc biệt kiến trỳc mạng được thiết kế là 4 lớp. Thuõn lợi chớnh của kiến trỳc phõn cấp là quy tắc định tuyến và quản lý dễ dàng. Trong tương lai gần, mạng hoàn toàn quang kiến trỳc hai lớp sẽ là phổ biến cho cỏc ứng dụng mạng lừi.
Số mạng con trong mỗi phõn cấp
Cả hai mạng một cấp và mạng cú kiến trỳc cú thể chia ra nhiều mạng con. Núi chung mạng con được xỏc định bởi sự kết nối cỏc node và sựđộc lập của nú trong cơ chế giỏm sỏt. Thụng thường trong mạng cú cấu trỳc liờn kết nối của cỏc mạng con trong cựng một mạng được cho phộp cho qua một cấp cao hơn kế trờn. Số mạng con trong một cấp là khụng giới hạn, và chỉ phụ thuộc vào kớch cỡ mạng thực.
Một mạng con cú thể cú nhiều kiểu phõn chia, nhưng thường một vài topo cơ bản, như Ring hoặc Mesh con. Những ứng cử viờn cho cỏc mạng con là mạng WDM quang dạng Ring và Mesh quang.
Số node trung gian trờn mỗi mạng con
Trừ khi sự phõn phối nhu cầu khụng cần nhiều qua hơn một mạng con, mỗi mạng con phải cú ớt nhất một mode đặc biệt nơi mà để truyền lưu lượng đi ra. Những node này (thường được gọi là node trung tõm) cú những chức năng đặc biệt cho liờn kết nối giữa những mạng con khỏc nhau.
1.5.6 Cỏc tham số liờn quan đến sự giỏm sỏt
Cơ chế bảo vệ hoặc phục hồi được ỏp dụng chung trờn mạng để làm tăng yờu cầu giỏm sỏt chống lại lỗi xẩy ra. Cơ chế phục hồi thường thờm vào những ràng buộc mới đến hoạt động quy hoạch mạng như thời gian phục hồi, độ dài của cỏc tuyến, tài nguyờn dự phũng, sựđịnh tuyến…
Chương II
TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SểNG TRONG MẠNG QUANG WDM
2.1 Giới thiệu chung
Cụng nghệ truyền dẫn WDM đó đi vào giai đoạn ứng dụng và thương mại hoỏ theo xu hướng ngày càng hoàn thiện của cụng nghệ. Trong lĩnh vực thụng tin quang, vấn đề quan trọng là lợi dụng được mạng quang hiện cú và tương lai sẽ xõy 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 nguyờn mạng là quy hoạch hợp lý tài nguyờn bước súng và nú liờn quan trực tiếp tới vấn đềđịnh tuyến và gỏn bước súng trong mạng.
Vấn đề tỡm cỏc tuyến và gỏn bước súng cho luồng quang được gọi là bài toỏn định tuyến và gỏn bước súng (RWA- Routing and Wavelength Assignment). Cỏc yờu cầu kết nối cú hai dạng: dạng tĩnh và dạng động.
Kỹ thuật WDM trong cỏc mạng quang đó được phỏt triển nhanh chúng, nú đó đỏp ứng cỏc yờu cầu về băng tần của người sử dụng mạng. Trong mạng định tuyến cỏc nỳt truy nhập thụng tin với nhau qua cỏc kờnh toàn quang, cỏc kờnh này được xem như cỏc luồng quang.
Một luồng quang được sử dụng để hỗ trợ một kết nối trong mạng định tuyến bước súng WDM và nú cú thể liờn kết cỏc sợi quang. Trong trường hợp khụng sử dụng bộ chuyển đổi bước súng, một luồng quang chiếm cựng bước súng trờn tất cả cỏc liờn kết sợi mà nú đi qua. Đặc tớnh này gọi là điều kiện ràng buộc bước súng liờn tục. Hỡnh 2.1 minh hoạ một mạng định tuyến bước súng nối cỏc luồng quang đó được thiết lập giữa cỏc cặp nỳt truy nhập trờn cỏc bước súng khỏc nhau. Trong bài toỏn RWA, với lưu lượng tĩnh thỡ toàn bộ tập cỏc kết nối được biết trước và khi đú phải thiết lập luồng quang cho cỏc kết nối này trong khi cỏc tài nguyờn mạng phải tối thiểu hoỏ số bước súng hoặc số cỏc sợi trong mạng. Với lựa chọn như vậy, cú thể thiết lập nhiều kết nối cho số cỏc bước súng cố định đưa ra. Bài toỏn RWA cho lưu lượng tĩnh gọi là bài toỏn thiết lập luồng quang tĩnh (SLE – Static Lightpath Establishment). Trong trường hợp lưu lượng động, một luồng quang được thiết lập cho mỗi yờu cầu kết nối đến và luồng quang được giải phúng sau một thời gian qui định. Đối tượng trong trường hợp lưu lượng động là để thiết lập luồng quang và gỏn bước súng theo cỏch tối thiểu tổng số kết nối bị nghẽn hoặc tối đa số cỏc kết nối được thiết lập trong mạng tại
bất cứ thời điểm nào. Bài toỏn này gọi là bài toỏn thiết lập luồng quang động (DLE- Dynamic Lightpath Establishment).
Bài toỏn SLE cú thể được giải như là qui hoạch tuyến tớnh nguyờn, nú là bài toỏn NP-đầy đủ. Để giải bài toỏn dễ dàng hơn, bài toỏn SLE cú thể chia thành 2 bài toỏn nhỏ – (1) định tuyến, (2) gỏn bước súng – mỗi bài toỏn này giải theo những cỏch khỏc nhau. Một số thuật toỏn trong đưa ra cỏc thuật toỏn gần đỳng để giải bài toỏn SLE cho cỏc mạng lớn và cỏc thuật toỏn tụ màu đồ thị được dựng để gỏn cỏc bước súng tới cỏc luồng quang một khi cỏc luồng quang được định tuyến đỳng. Việc giải cỏc bài toỏn thiết lập luồng quang động là khú hơn, cỏc phương phỏp heuristic thường được dựng. Phương phỏp heuristic thực hiện cho cả hai bài toỏn định tuyến và gỏn bước súng.
Hỡnh 2.1 Mạng chuyển mạch kờnh quang với cỏc kết nối luồng quang Với bài toỏn định tuyến cú 3 cỏch tiếp cận. Định tuyến cốđịnh, định tuyến thay thế cố định và định tuyến thớch nghi. Trong số cỏc cỏch tiếp cận này định tuyến cốđịnh là đơn giản nhất nhưng định tuyến thớch nghi mang lại đặc tớnh tốt nhất. Định tuyến thay thế đem lại sự thoả hiệp giữa sự phức tạp và đặc tớnh mạng.
Với bài toỏn gỏn bước súng bao gồm bài toỏn gỏn bước súng tĩnh (tụ màu đồ thị tuần tự,...) và bài toỏn gỏn bước súng động (bao gồm một số cỏc phương phỏp heuristic điển hỡnh)
Đối với mạng thụng tin quang, RWA là vấn đề rất quang trọng. Giải phỏp nhận biết bộ chuyển đổi bước súng WC là một trong những cụng cụ quan trọng