Thạc Sĩ Nghiên cứu phân bổ tối ưu bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng AON

MỞ ĐẦU​ ​ Sự bùng nổ của mạng Internet, sự phát triển số lượng người sử dùng, sự phát triển của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền IP, đó là những gì mà chúng ta đã chứng kiến trong vòng gần một thập kỉ qua. Xét về mặt kỹ thuật, để đáp ứng được sự phát triển đó, hạ tầng mạng truyền dẫn bao gồm mạng đường backbone và mạng truy nhập đã và đang phải nâng cao dung lượng bằng cách chuyển dần sang mạng truyền dẫn cáp sợi quang. Mạng truyền dẫn quang đã đáp ứng được rất nhiều yêu cầu về dung lượng (tối đa 50Tbps), chi phí xây dựng và tính bảo mật thông tin. Hai công nghệ quan trọng gần đây giúp tăng dung lượng hệ thống là WDM và khuêch đại sợi quang EDFA. Từ khoảng năm 1986 trở lại đây có rất nhiều các dự án xây dựng mạng đường trục cáp quang biển quốc tế được triển khai, đã giúp tăng cường khả năng trao đổi thông tin giữa các quốc gia, lãnh thổ trên thế giới. Tiếp đến là các mạng đường trục trên đất liền ở các quốc gia được xây dựng trên nền tảng truyền dẫn sợi quang.

Vào đầu năm 1988, các công nghệ SONET và SDH là những chủ đề nóng được đề cập đến như là những chuẩn ghép kênh cho các mạng đường trục trong tương lai. SONET và SDH là các chuẩn thiết kế từ đầu cho các hệ thống TDM (chiếm đa số vào những năm 1980). Sử dụng TDM, một luồng dữ liệu ở tốc độ cao hơn được tạo ra trực tiếp bằng cách ghép các kênh có tốc độ bit thấp hơn. Thực tế đã có rất nhiều các hệ thống SDH/SONET đã và vẫn đang được triển khai. Các hệ thống TDM dung lượng cao hoạt động ở tốc độ OC-192 hoặc 10Gbps. Tuy nhiên ta sẽ gặp khó khăn khi muốn chuyển lên tốc độ OC-768 hoặc lớn hơn do hạn chế tần số hoạt động của linh kiện điện tử. Đến năm 1997, công nghệ WDM được đánh giá là công nghệ ghép kênh số một giúp tăng dung lượng hệ thống lên hàng trăm lần, giảm chi phí đầu tư. Công nghệ WDM cho phép ghép nhiều kênh tốc độ bít khác nhau trên cùng một sợi quang bằng cách đặt các kênh trên các bước sóng khác nhau. Hiện nay đã có thiết bị ghép kênh WDM có khả năng ghép 80 kênh (bước sóng). Với việc chỉ xử lý tín hiệu quang tại các node mạng, đã loại bỏ sự hạn chế của thiết bị điện tử, và đưa ra một mạng mới tên là mạng toàn quang (AON). Mạng toàn quang định tuyến bước sóng được coi là ứng cử viên cho mạng backbone diện rộng thế hệ tiếp theo. Mạng AON được xây dựng từ các thiết bị ghép kênh WDM (kèm theo khả năng xen/tách) và các thiết bị đấu chéo OXC (cross-connect). Hệ thống DWDM có khả năng ghép 32 bước sóng hoặc nhiều hơn trong dải 1550nm, tăng dung lượng trên sợi quang đang có và trong suốt với tốc độ bít.

Mạng AON làm việc với các bước sóng khác nhau ở lớp vật lý, ghép kênh WDM và định tuyến theo bước sóng. Nó gồm các node định tuyến bước sóng quang được nối với nhau bằng các kết nối sợi quang. Một lightpath phải được thiết lập giữa hai node định tuyến bất kì trước khi chúng trao đổi thông tin. Mạng sẽ phải xác định tuyến (route/path) nối node này và gán một bước sóng rỗi cho các kết nối dọc theo đường đi. Lightpath chính là một kết nối quang trực tiếp giữa hai node không qua bất kì một thiết bị điện tử trung gian nào. Để thiết lập một lightpath, thông thường yêu cầu mạng phải phân bổ một bước sóng chung trên tất cả các kết nối dọc theo đường đi của lightpath. Đó chính là yêu cầu về tính liên tục bước sóng, điều khiến cho mạng định tuyến bước sóng khác với các mạng điện thoại chuyển mạch truyền thống. Một yêu cầu sẽ bị từ chối nếu không có bước sóng chung còn rỗi trên toàn tuyến. Một trong những mục tiêu cơ bản của bài toán thiết kế mạng AON định tuyến bước sóng là phải giảm tối thiểu xác suất nghẽn toàn mạng.

Để tận dụng tài nguyên bước sóng và giảm xác nghẽn, tại các node mạng người ta phải đặt các bộ chuyển đổi bước sóng (WC). Khi đó mỗi kết nối từ node nguồn đến node đích, thông tin được truyền đi trên cùng một hoặc các bước sóng khác nhau. Xong câu hỏi đặt ra là có cần phải đặt các bộ chuyển đổi bước sóng ở tất cả các node? Nếu không thì những node mạng nào nên đặt và cần bao nhiêu bộ chuyển đổi đặt tại node đó?

Trước khi đi ta trả lời hai câu hỏi trên, ta cần phải biết là giá thành của các bộ chuyển đổi hiện nay rất đắt mặc dù đã có những đột phá về công nghệ. Mạng có tất cả các node được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng sẽ đạt được chất lượng tốt nhất (xác suất nghẽn nhỏ nhất), nhưng kéo theo đòi hỏi chi phí đầu tư lại rất lớn. Đối với nhà khai thác mạng khi đầu tư, yếu tố chi phí đầu tư ban đầu (CAPEX) luôn được quan tâm đâu tiên vì nó ảnh hưởng đến giá thành dịch vụ và hiệu quả đầu tư kinh doanh sau này. Mặt khác lý thuyết và thực tế đã chứng minh, có những node mạng không cần phải có bộ chuyển đổi bước sóng vì không có lưu lượng đi qua nó cần chuyển đổi. Chính vì lý do đó đã thúc đẩy các nhà thiết kế, quy hoạch mạng tìm ra một thuật giải phân bổ các bộ chuyển đổi bước sóng sao cho số lượng bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng là tối thiểu, nhưng lại đạt chất lượng gần với mạng được trang bị đầy đủ. Đó chính là yêu cầu của bài toán phân bổ tối ưu các bộ chuyển đổi bước sóng được tác giả nghiên cứu trong luận văn này. Có thể coi đây là bài toán con trong cả một bài toán lớn về thiết kế và quy hoạch mạng truyền dẫn toàn quang. Đầu vào của bài toán gồm có : Topo mạng, số lượng bộ chuyển đổi, và thống kế lưu lượng của mạng. Đầu ra của bài toán này sẽ cho biết phải đặt bộ chuyển đổi ở node mạng nào và số lượng bao nhiêu để mạng có xác suất nghẽn nhỏ nhất. Dựa vào đó, nhà khai thác sẽ có cơ sở để lên cấu hình thiết bị cho các node mạng. Do đó bài toán WCP rất quan trọng đối với nhà khai thác mạng đường trục khi chuyển dần mạng truyền dẫn quang hiện tại sang mạng WDM, hoặc xây dựng một mạng truyền dẫn quang WDM mới xếp chồng lên mạng đang có.

Sau khi nhận thấy tầm quan trọng của các bộ chuyển đổi bước sóng, yếu tố giá thành, và đặc biệt là nhận xét về sự dư thừa không cần thiết khi trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng tại node mạng, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và đưa ra các thuật toán phân bổ tối ưu các bộ chuyển đổi bước sóng cho các cấu trúc mạng khác nhau (Mesh, Ring ). Lúc đầu các thuật toán này được nghiên cứu độc lập, sau đó nó được nghiên cứu gắn liền với các thuật giải định tuyến và gán bước sóng RWA. Dựa trên mô phỏng, các công trình đã có sự so sánh chất lượng giữa các thuật toán cũ và mới đề xuất.

Trong luận văn này, tác giả không đưa ra một thuật giải mới. Mà mục đích chính là để nêu ra một vấn đề mà các nhà thiết kế và quy hoạch mạng phải quan tâm trước khi đầu tư mua thiết bị, đó là chất lượng mạng không chỉ phụ thuộc vào thuật toán đính tuyến và gán bước sóng được chọn, mà phân bổ tối ưu bộ chuyển đổi bước sóng là một bài toán góp phần nâng cao hơn nữa chất lượng mạng. Do đó đầu tiên tác giả nêu bật tầm quan trọng của bộ chuyển đổi bước sóng và ý nghĩa của việc chọn thuật toán phân bổ tối ưu bộ trong thiết kế và quy hoạch mạng.

Trong luận văn này, tác giả đề cập đến mạng truyền dẫn quang đường trục cấu trúc mesh và ring. Mạng mesh sẽ được chọn là mạng đường trục trong tương lai vì tính dư thừa cần thiết của nó mặc dù sẽ tăng chi phí đầu tư ban đầu. Mạng vòng ring hay được triển khai trong thực tế do khả năng dự phòng của nó rất tốt. Nếu xét về khả năng chuyển đổi bước sóng, thì đối tượng nghiên cứu của luận văn là mạng có phân bố bộ chuyển đổi bước sóng rời rạc và có khả năng chuyển đổi hạn chế (SPWC- Sparse Partial Wavelength Converter). Hai ưu điểm quan trọng của mạng này là giảm chỉ phí đầu tư nhờ việc sử dụng ít bộ chuyển đổi hơn mà vẫn đạt được chất lượng mạng như yêu cầu, và mang lại thuận lợi cho các nhà khai thác khi nâng cấp dần lên hệ thống full-complete.


MỤC LỤC​ LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG
​ MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN DẪN TOÀN QUANG - 5 -
1.1. Các thành phần cơ bản của mạng truyền dẫn quang. - 5 -
1.1.1. Sợi quang. - 5 -
1.1.2. Bộ phát/thu tín hiệu quang. - 7 -
1.1.3. Bộ lọc và bộ ghép kênh quang. - 8 -
1.1.4. Bộ chuyển mạch quang. - 10 -
1.1.5. Bộ chuyển đổi bước sóng. - 11 -
1.1.5.1. Chuyển đổi bước sóng O-E. - 12 -
1.1.5.2. Chuyển đổi bước sóng toàn quang - 12 -
1.1.6. Bộ khuêch đại quang. - 14 -
1.2. Cấu trúc mạng DWDM . - 18 -
1.2.1. Thiết bị đầu cuối OLT. - 19 -
1.2.2. Bộ ghép/xem OADM - 21 -
1.2.3. Bộ kết nối chéo quang OXC - 24 -
1.3. Một số công nghệ quan trọng trong mạng AON - 31 -
1.3.1. Công nghệ kênh quang. - 31 -
1.3.1.1. Kênh quang .- 31 -
1.3.1.2. Đường dẫn bước sóng và đường dẫn bước sóng ảo - 38 -
1.3.2. Công nghệ chuyển mạch kênh quang. - 40 -
1.3.2.1. Cấu trúc chuyển mạch WP .- 43 -
1.3.2.2. Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP . - 44 -
1.3.2.3. Cấu trúc chuyển mạch ma trận đầy đủ . - 45 -
CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG - 52 -
2.1. Giới thiệu bài toán RWA - 52 -
2.2. Các thuật toán định tuyến. - 54 -
2.2.1. Định tuyến có đường đi ngắn nhất - 55 -
2.2.2. Định tuyến thay thế cố định. - 55 -
2.2.3. Định tuyến theo tải ít nhất - 55 -
2.2.4. Định tuyến theo tuyến nghẽn nhỏ nhất với các tuyến cố đinh - 56 -
2.3. Các thuật toán gán bước sóng. - 56 -
2.3.1. Gán bước sóng ngẫu nhiên. - 57 -
2.3.2. Gán bước sóng phù hợp đầu tiên. - 58 -
2.3.3. Gán bước sóng được sử dụng nhiều nhất - 58 -
2.3.4. Gán bước sóng sử dụng ít nhất - 58 -
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ TỐI ƯU BỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG - 60 -
3.1. Vai trò bộ chuyển đổi bước sóng. - 60 -
3.2. Giới thiệu tổng quan. - 65 -
3.3. Thuật toán GA cho mạng Ring. - 66 -
3.3.1. Thuật toán định tuyến LLR cho mạng SWC - 66 -
3.3.2. Thuật toán WCP sử dụng thuật toán GA - 71 -
3.3.3. Đánh giá chất lượng thuật giải qua mô phỏng. - 76 -
3.4. Thuật toán WCP cho mạng mesh. - 78 -
3.4.1. Thuật toán phân bổ MBPF. - 78 -
3.4.2. Thuật toán phân bổ WMSL. - 86 -
3.4.3. Đánh giá chất lượng thuật toán MBPF và WMSL qua mô phỏng - 88 -
3.4.3.1. Đánh giá lợi ích sử dụng WC . - 89 -
3.4.3.2. Đánh giá chất lượng của thuật toán FAR-FF và MBPF. - 90 -
3.4.3.3. Đánh giá chất lượng của thuật toán LLR-FF và WMSL. - 94 -
3.4.4. WCP với thuật toán RWA WLCR-FF. - 96 -
3.4.4.1. Thuật toán định tuyến và gán bước sóng WLCR-FF. - 97 -
3.4.4.2. Thuật toán WCP cho WLCR-FF. - 103 -
3.4.4.3. Đánh giá chất lượng thuật toán qua mô phỏng. - 103 -
3.5. Giới thiệu phân bổ tối ưu trong mô hình mạng SPWC - 107 -
3.5.1. Mô hình mạng full -complete. - 107 -
3.5.2. Bài toán WCP cho mạng SPWC - 112 -
3.5.3. Đánh giá chất lượng thuật toán qua mô phỏng. - 117 -
3.6. Nhận xét chung về các thuật giải phân bổ. - 120 -

KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO