TỔ CHỨC và QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện Tử - Viễn Thông
====o0o====

Báo cáo bài tập lớn
TỔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG

Đề tài: Bài tập số 2
Giáo viên hướng dẫn:
Thành viên nhóm :
Hà Ngọc Anh
Nguyễn Ngọc Bộ
Nguyễn Hữu Thái

TS.Trần Thị Ngọc Lan
Điện tử viễn thông 01 – K56
Điện tử viễn thông 06 – K56
Điện tử viễn thông 01 – K56

Hà Nội, tháng 11/2015

20111107
20121285
20122440



A. LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ viễn thông điện tử đã tiếp tục tiến bộ nhanh chóng kể từ khi có
phát minh hệ thống điện tín và điện thoại đến mức nó đã cách mạng hoá các
phương tiện thông tin truyền thông khoảng một thế kỷ trước đây. Ngày nay hệ

thống thông tin viễn thông điện tử được xem như các phương tiện kinh tế nhất
có được để trao đổi tin tức và số liệu. Ngoài ra song song với sự phát triển, tăng
trưởng của kinh tế việc hình thành các phương tiện cần thiết cho viễn thông điện
tử đã trở nên phức tạp hơn và có khuynh hướng kỹ thuật cao nhằm đáp ứng nhu
cầu đang tăng về các dịch vụ có chất lượng cao và dịch vụ viễn thông tiên tiến.
Do đó việc tổ chức một mạng viễn thông nhằm tạo ra một mạng viễn thông có đủ
khả năng đáp ứng các yêu cầu trên đóng một vai trò rất quan trọng. Đồng thời tổ
chức mạng lưới này phát triển trở thành một phần cơ bản quan trọng của xã hội
thông tin hoá cao trong tương lai. Hệ thống mạng viễn thông là tập hợp các trang
thiết bị kỹ thuật để cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng.
Các bộ phận cấu thành hệ thống mạng viễn thông:
Nhìn từ quan điểm phần cứng, hệ thống viễn thông bao gồm các thiết bị:
• Thiết bị đầu cuối thông tin: để đưa thông tin của người sử dụng vào
mạng và nhận thông tin của mạng cho người sử dụng.
• Thiết bị chuyển mạch: Để liên hệ giữa các đầu cuối theo yêu cầu
• Thiết bị truyền dẫn: Để liên kết nhóm a với nhóm b và nhóm b với nhóm b
( a-b ) : Đường dây thuê bao
( b-b ) : Đường trục ( trung kế )
( a-b ) : Mạng AN và mạng lõi có LE làm biên giới phân cách .
Các phần mềm (Kỹ thuật mạng)
• Cho biết các phần cứng liên hệ với nhau như thế nào ---> Topo mạng. Với
Topo mạng ta sẽ phân biệt được rõ về mạng AN và mạng lõi. AN (a - b), lõi
•
•

(b- b).
Các giao thức mạng: Cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng.
Giao thức để liên kết

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 3


•

Giao thức để trao đổi thông tin, giữa hai giao thức này có thể tách rời, có thể

kết hợp với nhau.
• Quản lý và khai thác mạng
Về phần mềm thì việc tổ chức mạng viễn thông ngày nay đã trở thành một phần
quan trọng trong hệ thống viễn thông trên thế giới. Để xây dựng mạng thì ta phải
xây dựng được cấu hình của các phần tử mạng. MENTOR – Mesh Network
Topology Optimization Routing là một thuật toán rất thích hợp cho việc các thiết
kế mạng thông tin vì nó không phụ thuộc vào đặc điểm của bất kỳ một công
nghệ hay kiến trúc mạng nào thay vào đó nó chỉ phụ thuộc vào nguyên tắc
thiết kế mạng. MENTOR có thể ứng dụng cho nhiều loại mạng, đặc biệt là
mạng ATM.
Chương trình MENTOR là một ứng dụng tin học trong việc thiết kế
Topology cho mạng bằng thuật toán cùng tên. Tất nhiên do còn nhiều hạn chế
nên chương trình vẫn mang tính chất mô phỏng, các giả thiết, điều kiện chưa thể
giống hoàn toàn như yêu cầu thực tế nhưng nó cũng giúp chúng ta nắm được quá
trình xây dựng Topology cho mạng.
Trong quá trình thực hiện tuy có rất nhiều khó khăn nhưng nhờ sự hướng dẫn tận
tình của TS.Trần Thị Ngọc Lan cũng như nỗ lực của bản thân mà chúng em đã
hoàn thành được đề tài này, nhưng do thời gian cũng như trình độ sinh viên có
hạn nên không thể tránh khỏi một vài sai sót. Chúng em mong nhận được những
lời khuyên của cô để chúng em có thể hiểu thêm về bài tập này nói riêng và môn
học này nói chung.
Chúng em xin chân thành cảm ơn cô!

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 4


B. NỘI DUNG
I. YÊU CẦU CỦA BÀI TẬP
-Cho mạng truy nhập gồm 60 nút. Các nút được đặt một cách ngẫu nhiên trên
mặt phẳng kích thước 800x800. Trọng số của mỗi liên kết được tính bẳng round
(0.3x khoảng cách đề các). Các nút trung tâm là{ 3,10,12,20,40,56}
1. Hãy dùng giải thuật NNEW để tìm cây truy nhập. Biết W=8, W1=W2=W9=2,
W8=W22=W29= W43=W49=3, W4 = W8 =4 còn các nút khác trọng số bằng 1.
2. Hãy dùng giải thuật Kruskal để tìm cây truy nhập (Với cùng cách chia nút
giống NNEW). So sánh kết quả thu được với phần 1. 3. Hiệu chỉnh kết quả phần
1 cho trường hợp giới hạn số nút trên cây bằng 5. Khi đó giá của cây kết quả
tăng lên bao nhiêu phần trăm.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết chung
Trong mạng viễn thông chúng ta có các nút mạng liên kết với nhau tạo thành
hệ thống mạng. Trong hệ thống mạng chúng ta có nhiều mạng truy nhập (Access
Network) và các mạng access liên hệ với nhau thông qua mạng đường trục
(Backbone Network). Vì vậy các nút mạng chia làm 2 loại, nút truy nhập
(Access) và nút Backbone. Trong mạng truy nhập (AN) thì chỉ có 1 nút
Backbone và các nút Access khác, các nút Access muốn kết nối với các nút ở
mạng truy nhập khác phải thông qua nút Backbone. Mạng Backbone là cầu nối
để các mạng truy nhập kết nối với nhau, là một mạng được thiết lập qua các nút
Backbone.
Các chỉ tiêu, yêu cầu kỹ thuật và tính chất của hai mạng này khác nhau, chính vì
vậy bài toán đặt ra ở đây là thiết lập hệ thống mạng trên các nút mạng cho trước

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 5


để đảm bảo một số tiêu chuẩn, yêu cầu nhất định và tối ưu hoá về một số mặt là
cần thiết.
Chương trình sẽ sử dụng thuật toán MENTOR để giải quyết bài toán này. Để
thiết lập mạng Access chúng ta sử dụng thuật toán Kruskal và để thiết lập mạng
Backbone ta dùng thuật toán Mentor. Ta có các thông số và giả thiết sau.
 Tổng số nút mạng trong toàn bộ hệ thống mạng kí hiệu là N và được đánh
số từ 0 ÷ (N – 1).
 Để biểu diễn sự liên hệ giữa các nút mạng với nhau ta có các ma trận sau:
• Ma trận chi phí Cost [NxN]. Đây là ma trận 2 chiều đối xứng, chứa chi phí
kết nối giữa các nút. Hàng i và cột j chứa giá trị là chi phí đi từ nút i đến
•

nút j.
Ma trận yêu cầu Req[NxN]. Là ma trận 2 chiều đối xứng, chứa mức độ
yêu cầu liên lạc giữa các nút với nhau. Hàng i cột j chứa giá trị là yêu cầu

•

từ nút i đến nút j.
Ma trận dung lượng tối đa C max[NxN]. Cũng là ma trận đối xứng 2 chiều.

•

Chứa giá trị ( hiệu dụng ) tối đa dung lượng của kênh liên kết giữa các nút.
Từ ma trận yêu cầu C max và ma trận chi phí Cost ta có thể xây dựng được

ma trận trọng số W của các nút.

2.2. Thuật toán Kruskal
Bước 1: sắp xếp tất cả các liên kết tăng dần theo chi phí, và lưu vào một
danh sách có thứ tự.
Bước 2: Kiểm tra xem nếu tất cả các nút đều đã được kết nối.
+

Đúng: kết thúc thuật toán.

+

Sai: thực hiện bước 3.
Bước 3: Chọn kết nối đầu tiên trong danh sách ( kết nối có chi phí nỏ nhất
trong danh sách).

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 6


Bước 4: Kiểm tra nếu liên kết thêm nào tạo thành chu trình hay liên kết
vừa tạo làm cho tổng trọng số các nút trên cây vượt quá mức giới hạn W
hay không.
+

Đúng: xóa liên kết vừa tạo, quay lại bước 2.

+

Sai: thêm liên kết vừa kiểm tra vào cây.

2.3. Thuật toán Esau-Williams :
•

Mỗi cây bắt đầu từ một nút.

•

Tính thỏa hiệp cho mỗi nút.

•

Thỏa hiệp (Ni) = minj[Cost(Ni,Nj)]-[Cost(Comp(Nj),N0].

•

Nếu thỏa hiệp là âm thì việc ghép lại là có lợi.

•

Càng giá trị âm càng có lợi.

•

Việc ghép chỉ được phép nếu như W(Comp(Ni))+W(Comp(Nj)) <= W.

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 7

Nhận xét:
+

Thỏa hiệp để kết hợp hai thành phần A và B tính được việc tiết kiệm bằng

cách đi qua nút hàng xóm thay vì đi đến nút trung tâm.
+

Giải thuật kết thúc khi tất cả các thỏa hiệp đều là dương hay danh sách có

thể kết hợp đã hết.
+

Giải thuật Heuristic- không đảm bảo cho kết quả tối ưu.

+

Đảm bảo rằng cây thỏa mãn ràng buộc dung lượng.

2.4. Thuật toán NNEW (Esau-Williams hàng xóm gần nhất):
Đầu vào (input) gồm:
•

Tập các site xương sống ( B0,…,Bm) = B.

•

Tập các nút truy nhập ( N1,…Nn) = N.

•

Tập các trọng số cho mỗi nút truy nhập ( w1,…,wn).

•

Ngưỡng trên của trọng số, W.

•

Ma trận giá thành Cost(i,j) cho giá giữa các cặp site xương sống/truy nhập.
Yêu cầu đầu ra (output): Tìm tập các cây T1, T2,……, Tk sao cho:

•

Mỗi nút thuộc một cây duy nhất.

•

Tất cả các cây đều chứa nút Backbone.

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 8


•

Tổng trọng lượng các nút trên cây không vượt quá W.

•

Tổng độ dài tất cả các cạnh là nhỏ nhất.

Các bước thực hiện thuật toán:
+

Với mỗi b thuộc B, lấy Sb = { n ∈N | Cost(n,b) < Cost(n,b’) ∀b’∈ B}.

+

Nếu n có khoảng cách nhau giữa một vài nút Backbone, thêm n vào một Sb

một cách ngẫu nhiên.
+

Dùng Esau-Williams để xây dựng CMST cho mỗi tập b∪Sb.
Nhận xét:

+

Bài toán phức tạp hơn nhiều so với bài toán một trung tâm.

+

Giả sử chúng ta có n nút truy cập và chúng ta muốn chia ra là 3 tập. Số

cách chia có thể là : n-k
+

Tạo ra 3 bài toán CMST có thể được giải bằng giải thuật Esau-Williams

III. TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN
Để thực hiện được bài tập thì cần phải nắm rõ được các kiến thức:
+ Hệ thống mạng truy cập và mạng Backbone
+ Các giải thuật để thiết lập hệ thống mạng trên
[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 9


+ Biết được 1 trong số các ngôn ngữ lập trình dùng để thực hiện bài tập
( C, C#, Java…)
Trong bài tập nay thì chúng em đã sử dụng ngôn ngữ lập trình C# để thiết
lập được mạng theo yêu cầu của bài. Và viết trên phần mềm Visual Studio
2012
Thực hiện:
1. Dùng giải thuật NNEW để tìm cây truy nhập
+ Đầu tiên ta tạo mạng ngẫu nhiên gồm các nút truy cập và nút Backbone

+ Tiếp theo ta lập trình để chia các nhóm nút hàng xóm gần nhất cho các
nút Backbone

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 10


+ Dùng giải thuật Esau-Williams để tìm ra cây truy nhập CMST tương

ứng cho từng nút backbone
2. Dùng giải thuật Kruskal để tìm cây CMST
Vẫn cách chia của câu trên nhưng khi tìm cây CMST ta dùng giải thuật
Kruskal:

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 11


IV. KẾT LUẬN
- Qua bài tập lớn này, chúng em đã phần nào hiểu rõ hơn về thuật toán Mentor
và cách hình thành cây theo thuật toán Mentor cũng như xây dựng cây MST và
PST. Đặc biệt , chúng em đã có thể mô phỏng thuật toán trên phần mềm Matlab
và giúp cho chúng em hiểu một cách sâu sắc hơn.
- Tuy nhiên , do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế nên chúng em không
thể tránh khỏi những sai sót, mong cô giáo chỉ bảo thêm cho nhóm chúng
em.Chúng em xin chân thành cảm ơn cô.
C. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Khoa điện tử viễn thông . “ Bài giảng môn tổ chức mạng viễn thông”.
Trang 27.

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 12


[2]. Aaron Kershenbaum, Parviz Kermani and George A.Grover , “Mentor : An
Algorithm for mesh Network Topological Optimization and Routing”, IEEE
Transactions on communications, vol.39, NO. 4, April 1991.

[3]. www.google.com.vn
[4]. www.wikipedia.org

[Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông]

Trang 13