Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng quang wdm cấu hình ring (tt)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (571.08 KB, 14 trang )
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
*********************
Luận án được hồn thành tại:
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Bùi Trung Hiếu
2. TS. Hoàng Ứng Huyền
Vũ Hoàng Sơn
Phản biện 1:
GS.TSKH. Đào Khắc An
GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG
TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG QUANG WDM
CẤU HÌNH RING
Phản biện 2:
PGS.TS. Phùng Quốc Bảo
Phản biện 3:
TS. Bùi Việt Khôi
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số:
62.52.70.05
Luận án được bảo vệ tại Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thơng vào lúc 14 giờ 00 , ngày 06 tháng 01 năm
2012 .
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia,
- Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn
thơng.
Hà nội – 2012
1
2
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, với sự bùng nổ của dịch vụ trên nền giao thức
Internet (IP) và với sự phát triển nhảy bậc về cơng nghệ quang nói chung và
cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) nói riêng đã cho phép cũng như
thúc đẩy phát triển mạng quang thế hệ sau theo hướng tích hợp IP/quang với
dung lượng lớn, cự ly xa và đặc biệt có khả năng điều khiển mềm dẻo để cung
cấp các dịch vụ băng tần theo nhu cầu hay tổ chức thành các mạng riêng ảo.
Phạm vi ứng dụng của WDM ngày càng mở rộng và đang được triển khai
rộng rãi từ cấp mạng đường trục đến nội hạt. Những mạng WDM với những
kiến trúc và cấu hình khác vẫn đang được nghiên cứu và áp dụng, mà nhiều
nhất là các mạng WDM cấu hình Ring nhờ tính đơn giản, tốc độ khơi phục
nhanh và hiệu quả về kinh tế, nhất là trong môi trường mạng đô thị (MAN) do
tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có. Vì lý do đó các kiến trúc Ring vẫn được
phát triển cho các công nghệ mạng quang tiên tiến sau này.
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay trên thế giới, song song với các nghiên cứu về vật lý để khai thác
băng thông cực lớn của sợi quang, các nghiên cứu về mạng quang nói chung
và các nghiên cứu về điều khiển, quản lý tài nguyên mạng nói riêng được chú
ý rất mạnh mẽ theo hướng đáp ứng yêu cầu dịch vụ và phù hợp với sự phát
triển của công nghệ cũng như các điều kiện triển khai thực tế. Hướng nghiên
cứu này mở ra rất nhiều vấn đề mới có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, điển
hình là các vấn đề về thiết kế và tối ưu sử dụng tài nguyên trong quá trình phát
triển mạng lưới. Các nghiên cứu này cũng có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển
của lĩnh vực cơng nghệ quang mới và cũng nhanh chóng tạo ra các dịch vụ
mới cho khách hàng. Vì vậy, nghiên cứu sinh đã chọn hướng nghiên cứu theo
cách tìm kiếm và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài ngun
mạng để có thể áp dụng trong q trình thiết kế và khai thác mạng quang
WDM cấu hình Ring, phù hợp với môi trường áp dụng thực tế và khả năng
phát triển các dịch vụ mới trong tương lai.
Mục đích nghiên cứu của luận án là nhằm xác định được ảnh hưởng
đồng thời của các yếu tố về lưu lượng, topology và định tuyến đến kết quả
thiết kế tối ưu mạng. Trên có sở đó xây dựng được phương pháp thiết kế và đề
xuất các giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu trong luận án là phương pháp thiết kế
mạng quang WDM cấu hình Ring hai hướng có khả năng áp dụng trong mơi
trường mạng MAN hay Ring ảo.
Cho đến nay, các nghiên cứu về vấn đề thiết kế tối ưu mạng quang WDM
cấu hình Ring thường được thực hiện tuần tự theo cách tối ưu topology rồi
định tuyến và có các mục tiêu khác nhau; các kết quả đạt được nói chung chỉ
là tối ưu cục bộ.
Cách tiếp cận của luận án được chọn cho vấn đề tối ưu này là theo hướng
tối ưu đồng thời topology với định tuyến cân bằng tải theo hàm đa mục tiêu
tổng chi phí hay tối thiểu tài nguyên cần sử dụng. Các giải pháp được đề xuất
cho kết quả chính xác dựa trên quy hoạch tuyến tính nguyên (ILP) và cho kết
quả gần đúng theo phương pháp Heuristic sẽ được sử dụng để phân tích, mơ
phỏng đánh giá kiểm chứng hiệu quả sử dụng tài nguyên theo cách tiếp cận
này.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Các kết quả nghiên cứu đạt được trong luận án cho thấy phương pháp thiết
kế và giải pháp tối ưu theo ILP và heuristic được đề xuất đem lại hiệu quả sử
dụng tài nguyên mạng rất cao (trên 20%) so với các kết quả nghiên cứu trước
đây theo cách tuần tự truyền thống. Các kết quả này có thể áp dụng cho q
trình thiết kế mạng Ring quang trong mơi trường mạng đơ thị.
Hướng nghiên cứu này cũng có thể được phát triển cho các cấu hình khác
và cũng phù hợp với xu hướng giải quyết các vấn đề tích hợp đa lớp mạng
trong mạng quang thế hệ sau theo IP/quang.
Một trong những vấn đề quan trọng trong quản lý và sử dụng tài nguyên
mạng quang được nghiên cứu trong luận án đó là việc phân luồng lưu lượng
và thiết kế topology, đây là cơng việc rất có ý nghĩa khơng chỉ trong q trình
xây dựng và khai thác mạng mà còn trong nghiên cứu phát triển.
Trong nghiên cứu, việc sử dụng các mơ hình, cơng cụ tốn học và mơ
phỏng tiên tiến để phân tích, đánh giá về khả năng điều khiển, quản lý tài
nguyên mạng quang cũng góp phần tạo ra sự giao thoa kết hợp giữa các
môn/phương pháp nghiên cứu khoa học cơ bản và nghiên cứu ứng dụng trong
viễn thơng nói chung và thơng tin quang nói riêng.
Nội dung của luận án được tổ chức thành 4 chương chính, bao gồm:
Chương 1 giới thiệu tổng quan về mạng quang và vấn đề tối ưu tài nguyên
trong mạng quang cấu hình Ring. Trong chương này đưa ra xu hướng phát
triển mạng truyền tải quang và xác định hướng nghiên cứu của luận án về tối
ưu tài nguyên trong mạng quang cấu hình Ring trên cơ sở khảo cứu các kết
quả nghiên cứu liên quan đã được công bố.
Chương 2 tập trung xây dựng bài toán tối ưu topology và định tuyến trong
mạng quang WDM cấu hình Ring trên cơ sở tổng hợp những phương pháp
thiết kế và phân bổ tài nguyên truyền thống trong mạng quang nói chung và
mạng cấu hình Ring nói riêng, và qua đó thấy rõ hơn tính hiệu quả về phân bổ
và quản lý tài nguyên của cấu trúc mạng đang nghiên cứu.
Chương 3 đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong
mạng quang WDM cấu hình Ring theo hướng tối ưu đồng thời topology và
định tuyến sử dụng phương pháp qui hoạch nguyên (ILP) và Heuristic.
Chương 4 mô tả kết quả mơ phỏng giải bài tốn tối ưu topology và định
tuyến để đánh giá hiệu quả của các giải pháp được đề xuất ở chương 3.
Phần kết luận trình bày các kết quả đã đạt được, các đóng góp mới của luận
án và khuyến nghị một số vấn đề, hướng nghiên cứu mới.
3
4
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG VÀ
VẤN ĐỀ TỐI ƯU TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG CẤU HÌNH RING
1.1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT TRIỂN MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG
1.1.1 Sự phát triển của cấu trúc và công nghệ mạng truyền tải quang
Mạng truyền tải quang thế hệ sau hiện đang được phát triển theo hướng
tích hợp cơng nghệ mạng IP và cơng nghệ mạng quang. Hình 1-1 cho thấy
mạng truyền tải quang đa lớp đang dần được tổ chức tối ưu hơn, giảm thiểu
các thiết bị, các lớp mạng và các giao thức trung gian để tiến tới tích hợp
mạng theo hướng IP/quang trên nền kỹ thuật WDM. Xu hướng chung có thể
thấy mạng IP/quang ngày càng trở nên thông minh hơn, đáp ứng động hơn
theo nhu cầu như từ thiết lập kênh tĩnh đến điều khiển động, chuyển mạch
kênh (OCS) hay đến chuyển mạch chùm/gói quang (OBS/OPS) và ngày càng
được phát triển từ cấu trúc đơn giản như điểm-điểm, đến Ring, Ring lai Mesh
và tiến tới cấu trúc Mesh. Với khả năng tích hợp và điều khiển động, mạng
quang WDM có thể cung cấp các luồng dịch vụ băng tần lớn theo nhu cầu hay
các dịch vụ tiên tiến như mạng riêng ảo. Tuy nhiên, việc phát triển tới kiến
trúc mạng động và Mesh hồn tồn cịn có nhiều thách thức về mặt công nghệ
cũng như triển khai thực tế.
1.1.2 Kiến trúc và cơng nghệ mạng quang cấu hình Ring
Mạng quang truyền tải dung lượng lớn và yêu cầu về chất lượng dịch vụ
ngày càng cao và đa dạng, do đó mạng cần có khả năng cung cấp cơ chế bảo
vệ hay hồi phục nhanh, tin cậy để duy trì được dịch vụ ngay cả khi có các sự
cố. Kiến trúc mạng quang cấu hình Ring chia thành hai loại chính tương ứng
cơ chế sử dụng tài nguyên/ băng thông trong bảo vệ: cơ chế bảo vệ riêng
(DPRing) hay bảo vệ chia sẻ (SPRing) tài nguyên. Trong DPRing mỗi bước
sóng làm việc trên Ring có một bước sóng bảo vệ riêng cịn ở SPRing dung
lượng bảo vệ được chia sẻ cho một vài đường làm việc. Cơ chế bảo vệ chia sẻ
phức tạp hơn trong thực hiện và quản lí song nó lại tiết kiệm được tài nguyên
hơn so với cơ chế bảo vệ riêng. Cơ chế này cho phép sử dụng lại các bước
sóng hay khe thời gian trên các chặng khác nhau của Ring, do vậy thuộc tính
này được gọi là cấu trúc mạng có khả năng tái sử dụng khơng gian.
Kiến trúc Ring hai hướng hay SPRing có khả năng tái sử dụng không gian
cho phép sử dụng hiệu quả băng thông hơn so với DPRing nhất là trong mơi
trường mạng lõi vùng đơ thị. Tuy nhiên, tính hiệu quả này còn phụ thuộc vào
mẫu lưu lượng, phương pháp thiết kế mạng và thuật tốn định tuyến.
Do SPRing có nhiều ưu điểm trên, nên kiến trúc này vẫn được phát triển và
nghiên cứu ứng dụng cho các công nghệ truyền tải quang khác như: Ring gói
tự hồi phục (RPR) theo chuẩn IEEE 802.17; Ethernet Ring (ERPS); T-MPLS
Ring; OBS/OPS Ring.
1.2. PHÂN BỔ, SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN MẠNG QUANG CẤU HÌNH
RING
Trong luận án này sử dụng thuật ngữ lưu lượng được hiểu như sau: Lưu
lượng (traffic hay demand volume) trong mạng truyền tải là lượng nhu cầu kết
nối được xác định từ các dịch vụ lớp trên cần truyền tải và được đặc trưng bởi:
các nút kết cuối, độ rộng băng (đơn vị dung lượng), kích cỡ và các tham số
liên quan đến chất lượng. Trong mạng truyền tải quang, các kết nối có lưu
lượng lớn và thường có giá trị nguyên. Đối với WDM, đơn vị lưu lượng là
bước sóng. Trong mạng dịch vụ như mạng điện thoại, lưu lượng có bản chất
thống kê và thường được đo bằng đơn vị Erlang. Tập hợp các lưu lượng giữa
các nút mạng cần xét thường được biểu diễn bằng một ma trận lưu lượng.
1.2.1 Vị trí của phân bổ, sử dụng tài nguyên trong quản lý mạng
Tài nguyên mạng quang nói chung có thể ở nhiều dạng khác nhau, phụ
thuộc vào cơng nghệ và phạm vi nghiên cứu như: dung lượng hệ thống, băng
thông, sợi và các thiết bị, thành phần. Việc phân bổ, sử dụng tài nguyên hữu
hạn của mạng cần đảm bảo hiệu quả, đúng thời điểm, thỏa mãn lưu lượng và
giảm chi phí. Hoạt động của quản lý, sử dụng tài nguyên mạng truyền tải có
mặt trong các giai đoạn phát triển, quản lý mạng và thường được chia ra 3
mức độ cơ bản theo thời gian:
Hình 1-1: Xu hướng phát triển mạng quang theo hướng IP/quang.
Phạm vi ứng dụng của công nghệ WDM ngày càng mở rộng, từ mạng
đường trục đến nay đã xâm nhập vào vùng mạng MAN để đáp ứng nhu cầu
phát triển của các mạng truy nhập băng rộng (xDSL, Wimax, XG-PON,…).
Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, mạng quang hiện được triển khai phổ
biến với cấu hình Ring. Dưới sức ép của cạnh tranh, các nhà khai thác mạng
không muốn đầu tư quá nhiều vào hạ tầng mạng và đồng thời cũng yêu cầu
khi nâng cấp, phát triển mạng cần duy trì tính liên tục của cấu trúc mạng. Vì
vậy, các cơng nghệ quang mới phát triển cần kế thừa ưu điểm các công nghệ
đang dùng và tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có.
5
6
• Mức 1: Quản lý và xử lý luồng lưu lượng, tài nguyên ở thời gian thực hay
gần thực, hay nhờ chức năng hồi phục, bảo vệ, và được phân loại như kỹ
thuật lưu lượng (Traffic Enginnering - TE). Mức này có đặc trưng là: Đưa
luồng lưu lượng vào chỗ có băng thơng và tài ngun khả dụng.
• Mức 2: Chức năng tối ưu hoạt động mạng (Network Enginnering - NE) có
thời gian mức giờ đến ngày và có đặc trưng là: Đặt, phân bổ băng thơng, tài
ngun hiện có vào chỗ có lưu lượng và
• Mức 3: Chức năng qui hoạch mạng (Network Planning –NP) có thời gian
mức tháng đến năm và có đặc trưng: Đặt, phân bổ băng thơng, tài ngun
vào chỗ sẽ có lưu lượng.
Phạm vi nghiên cứu của luận án này chủ yếu tập trung vào các vấn đề và
giải pháp ứng dụng trong NE và NP; áp dụng cho các mạng WDM có cấu trúc
Ring theo hướng tích hợp mạng đa lớp và cung cấp các dịch vụ tiên tiến như
mạng riêng ảo trong mạng quang thế hệ sau.
1.2.2 Khái quát những nghiên cứu đã công bố về phân bổ tài nguyên
trong mạng quang cấu hình Ring
Hiện có nhiều cách tiếp cận khác nhau về tối ưu sử dụng tài nguyên trong
thiết kế mạng quang WDM cấu hình Ring phụ thuộc vào mục tiêu tối ưu và
các điều kiện cho trước khác nhau. Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu về ảnh
hưởng đồng thời của yếu tố như: lưu lượng, topology/thứ tự nút và định tuyến
đến kết quả thiết kế mạng Ring hai hướng. Các nghiên cứu trước đây chỉ chủ
yếu tập trung giải pháp tối ưu mạng theo cách khảo sát ảnh hưởng của từng
yếu tố một và cố định các yếu tố còn lại, hoặc thực hiện tuần tự bằng cách chia
nhỏ bài tốn lớn thành hai bước và kết quả nói chung đạt được là tối ưu cục
bộ:
+ Bước 1: Thiết kế topology của Ring - xác định số nút, thứ tự kết nối các
nút trên Ring;
+ Bước 2: Định tuyến lưu lượng trên topology Ring sao cho tối thiểu tải cực
đại trên các cạnh của Ring.
Vì vậy, vấn đề tối ưu đồng thời cả hai bước 1 và 2 trong mạng truyền tải
quang cấu hình Ring được nghiên cứu trong phạm vi của luận án. Cụ thể, là
nghiên cứu về phương pháp thiết kế mạng quang WDM cấu hình Ring hai
hướng theo cách tối ưu đồng thời topology và định tuyến cân bằng tải với hàm
mục tiêu tối thiểu tải hay tổng chi phí.
1.2.3 Hướng nghiên cứu của luận án về giải pháp nâng cao hiệu quả sử
dụng tài nguyên mạng quang cấu hình Ring
Các bài tốn thiết kế tối ưu mạng truyền tải quang được xét trong nghiên
cứu này thuộc lớp các bài tốn tối ưu tổ hợp và có thể được mơ hình hóa theo
qui hoạch tuyến tính ngun (ILP) hoặc hỗn hợp (MLP). Để giải quyết các bài
toán tối ưu mạng, hiện có nhiều phương pháp và thuật toán tối ưu được sử
dụng như: 1) Phương pháp heuristic; 2) Phương pháp qui hoạch toán học; 3)
Các thuật toán tìm kiếm metaheuristic; 4) Phân tích đồ thị Graph; 5) Phương
pháp tổ hợp, lai các phương pháp trên.
Việc lựa chọn các phương pháp nào rất quan trọng, phụ thuộc vào bài toán
cụ thể, kinh nghiệm và khả năng nhạy cảm đối với từng vấn đề của người sử
dụng. Dựa trên các phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp trên, các
phương pháp được lựa chọn trong luận án để giải bài toán tối ưu topology và
định tuyến bao gồm:
1. Phương pháp heuristic: Theo cách tự nhiên, phương pháp này bước đầu
được sử dụng để đánh giá sơ bộ theo kinh nghiệm về các giả định, bài toán
mới xây dựng và cũng có thể áp dụng cho bài tốn mức ở qui mơ lớn sau
khi có sự khảo sát về mức độ gần đúng;
2. Phương pháp giải chính tắc dựa theo quy hoạch tuyến tính nguyên (ILP):
Phương pháp này cho kết quả chính xác với qui mơ mạng nhất định và cho
thấy rõ các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của bài tốn.
CHƯƠNG 2.
XÂY DỰNG BÀI TỐN TỐI ƯU TOPOLOGY VÀ
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG QUANG WDM CẤU HÌNH RING
2.1 GIỚI THIỆU
Bài tốn thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo cách tối ưu đồng thời
topology và định tuyến được xây dựng trên cơ sở phân tích các cách tiếp cận
trong thiết kế mạng, các đặc trưng về mạng lõi quang vùng đô thị và các kết
quả nghiên cứu về thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo phương pháp
truyền thống. Các thuật toán và một số kết quả thiết kế mạng quang cấu hình
Ring theo phương pháp truyền thống cũng được giới thiệu và được phân tích
để thấy rõ được các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của bài toán thiết kế cũng
như làm cơ sở cho việc phát triển các giải pháp được đề xuất ở chương sau.
2.2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠNG QUANG CẤU HÌNH RING
2.2.1 Mơ hình mạng truyền tải quang
Mạng truyền tải quang có qui mơ rất lớn và phức tạp, do đó được tổ chức
theo mơ hình chồng phủ đa lớp mạng và mỗi lớp mạng lại được phân tích
thành một số vùng và lớp mạng con tương đối độc lập nhau theo khuyến nghị
ITU-T G.805. Liên kết giữa lớp mạng được thực hiện theo cách: mạng lớp trên
sử dụng các dịch vụ kết nối, truyền tải do mạng ở lớp dưới cung cấp. Các vùng
hay mạng con có thể được tổ chức theo các kiến trúc mạng cơ sở (như
SPRing, DPRing, …) và kết nối giữa chúng bởi các tuyến và nút mạng. Trong
mơ hình mạng đa lớp này, thì topology của lớp mạng trên chính là đầu vào của
ma trận lưu lượng của mạng lớp dưới và sau đó lưu lượng được định tuyến
trên topology mạng lớp dưới.
7
8
2.2.2 Các bước trong thiết kế mạng quang
Việc thiết kế mạng quang lớn và phức tạp thường được thực hiện theo
phương pháp chia nhỏ thành các giai đoạn, bài toán con tương đối độc lập và
thực hiện tuần tự. Hình 2-3 minh họa các bước hay các bài tốn chính trong
thiết kế mạng tương ứng với các phân lớp, phân vùng trong mạng truyền tải.
Tùy thuộc vào nhiệm vụ thiết kế, tối ưu mạng và bài toán cụ thể mà hàm mục
tiêu có thể là tối thiểu tổng chi phí mạng với các ràng buộc về chất lượng, kỹ
thuật xác định; hay tối thiểu chiếm giữ tài nguyên mạng; hay tối đa thông
lượng.
Phương pháp thiết kế tuần tự và chia nhỏ thành các bài toán con độc lập
tương ứng như các bước ở trên thì dễ thực hiện và tận dụng được các thuật
tốn đã phát triển, nhưng nói chung chỉ cho kết quả tối ưu cục bộ.
Cách tiếp cận giải tích hợp là coi các bước, các bài tốn con như một bài
tốn lớn hơn. Nói chung cách này cho kết quả tốt hơn, nhưng phức tạp hơn và
khó áp dụng đối những bài tốn có kích cỡ lớn, yêu cầu xử lý nhanh. Tuy
nhiên, chúng cũng thường được sử dụng cho qui mô nhỏ hay để khảo sát các
mơ hình mới và đánh giá chính xác các thuật toán khi áp dụng trong phạm vi
nhỏ. Xu hướng mạng truyền tải quang thơng minh, tích hợp đa lớp và có
tương tác, do đó sẽ nảy sinh những ứng dụng mới và những yêu cầu về tích
hợp cần giải quyết đồng thời.
Sau đây giới thiệu phương pháp thiết kế mạng quang theo cấu trúc Ring
theo cách tiếp cận tuần tự truyền thống, để làm cơ sở cho việc đề xuất bài tốn
thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo cách tiếp cận tích hợp.
2.2.3 Phương pháp thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo tiếp cận tuần
tự
Việc thiết kế Ring đơn thỏa mãn lưu lượng cũng như độ tin cậy và với mục
tiêu tối thiểu tổng chi phí được thực hiện theo các bước tương ứng các bài toán
con sau:
Bài toán 1. Trên cơ sở ma trận tuyến kết nối cho trước C={cij}, xác định
topology của mạng có cấu hình Ring bao gồm: thứ tự/vị trí nút kết nối tạo
thành Ring và các tuyến kết nối giữa chúng;
Bài toán 2. Định tuyến lưu lượng trên Ring đã xác định, sao cho thỏa mãn
ma trận lưu lượng D={dsd} cho trước.
Bài toán 1 là tìm topology của Ring với mục tiêu thường là tổng chi phí/
cự ly giữa các nút tạo nên tuyến của Ring là nhỏ nhất. Bài tốn này có dạng
bài tốn người du lịch (TSP) hay tìm chu trình hamilton kinh điển. Hiện có
nhiều phương pháp giải theo mơ hình ILP hay các thuật tốn heuristic.
Đối với DPRing, bài toán 2 dễ dàng xác định theo nguyên tắc định tuyến
và phân bổ bước sóng đơn giản là: mỗi một lưu lượng luồng quang điểm điểm sẽ sử dụng một bước sóng riêng trên tồn Ring. Do đó, số bước sóng hay
dung lượng tối thiểu cần thiết chính là tổng số lưu lượng chạy trên Ring.
Đối với SPRing hay Ring hai hướng, bài toán 2 cần xác định tuyến đường
đi cho mỗi lưu lượng trên Ring với mục tiêu tối thiểu dung lượng cực đại
chiếm giữ trên các tuyến/cạnh của Ring hay còn gọi là Tải của Ring (Z). Phần
sau giới thiệu bài toán này.
2.2.4 Phân bổ tài nguyên trong mạng quang cấu hình Ring WDM hai
hướng
2.2.4.1 Giới thiệu bài tốn
Trong mạng WDM khi khơng có bộ chuyển đổi bước sóng, bài tốn này
bao gồm 2 phần: định tuyến và phân bổ/gán bước sóng –RWA. Phần định
tuyến (R) yêu cầu xác định tuyến cho mỗi luồng lưu lượng quang và phần
phân bổ bước sóng (WA) thực hiện gán bước sóng cụ thể cho mỗi luồng lưu
lượng sao cho trên mỗi chặng trên tuyến đường mà nó đi qua khơng có 2 bước
sóng trùng nhau, ràng buộc này cịn gọi là tính liên tục của bước sóng. Do vậy,
bài tốn trở lên phức tạp hơn và đã được chứng minh là loại NP-đầy đủ. Để
tránh nhầm lẫn giữa tên gọi trong chức năng định tuyến, bài toán này cũng
thường gọi là phân bổ tài nguyên hay băng thông mạng.
Sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng làm tăng hiệu quả dung lượng của mạng
nhưng sẽ làm tăng đáng kể chi phí của mạng. Khi có chuyển đổi bước sóng,
bài tốn RWA chỉ còn phần định tuyến (R) và cũng là chủ đề rất được quan
tâm của định tuyến trong Ring SDH có hốn đổi khe thời gian. Tuỳ thuộc vào
cơng nghệ và cách quản lý các luồng khác nhau, mà có các cách định tuyến
Thông tin đầu vào
Ma trận lưu
lượng
Phạm vi nghiên cứu
Mơ hình thiết
bị, chi phí
Kiến trúc mạng
ứng cử(Ring,…)
Địa lý,
Quản lý,…
Thiết kế topology
Vị trí nút
Kết nối
Định tuyến và Định cỡ
Phân bổ
dung lượng
Định tuyến
kết nối
Phân tích giải pháp
Đánh giá kỹ
thuật
Tối ưu lại
Phân tích
chi phí
Hình 2-3: Các bước cơ bản trong thiết kế mạng.
Ở Việt Nam hiện nay, việc giải bài toán chia mạng truyền tải quang thành
các vùng/Ring thường được xác định theo phân cấp các thiết bị chuyển mạch,
tổng đài lớp trên và phân cấp quản lý; số nút trong từng cấp này nhỏ. Vì vậy,
bài tốn điển hình là thiết kế hiệu quả mạng quang cấu hình Ring đơn.
9
10
khác nhau: Định tuyến có tách hay khơng cho tách lưu lượng trên Ring. Lưu
lượng được định tuyến tách trên Ring khi luồng lưu lượng của nó được chia
làm hai phần và được định tuyến trên hai hướng của Ring. Nói chung định
tuyến có tách lưu lượng cho kết quả tốt hơn khi không tách lưu lượng.
Tập trung vào giải quyết vấn đề phân bổ băng thông cho Ring WDM cho
các ứng dụng NE và NP, cho nên các tham số đầu vào như ma trận lưu lượng
quang lớp trên và topology của Ring WDM lớp dưới đã xác định trước. Việc
tính tốn định tuyến và gán bước sóng có thể được thực hiện trước khi thiết
lập cấu hình Ring để thỏa mãn nhu cầu ma trận lưu lượng và thường với mục
tiêu tối thiểu số bước sóng cần sử dụng.
Tương tự như đã đề cập ở trên, nói chung có hai cách tiếp cận để giải bài
tốn RWA trong mạng quang WDM cấu hình SPRing:
- Cách 1: Giải quyết đồng thời cả hai bài toán R và WA. Phương pháp thường
được sử dụng là mơ hình theo ILP và có thể sử dụng các kỹ thuật như nhánhcận, tạo cột, làm tròn… để giải và cho kết quả tối ưu.
- Cách 2: phân tách bài toán thành hai bài toán con riêng rẽ và giải tuần tự:
+ Bài toán định tuyến luồng lưu lượng trên Ring (R-Routing problem) và
+ Bài tốn gán hay phân bổ bước sóng cho các luồng lưu lượng đã định
tuyến (WA- Wavelength Allocation /Assignment problem).
Cách 1 cho kết quả tối ưu chính xác, nhưng phức tạp. Cách 2 dễ giải
quyết, đơn giản hơn, tận dụng được các thuật toán đã phát triển.
Phần sau giới thiệu một số kết quả và phương pháp giải theo 2 bước tuần
tự (cách 2) dựa trên một số kết quả nghiên cứu trước đây trên thế giới, và của
tác giả đã phát triển [6], [8] và qua các thử nghiệm cũng cho thấy kết quả tối
ưu trong hầu hết các trường hợp.
2.2.4.2 Cận của bài tốn
Như đã nói ở trên trong trường hợp có chuyển đổi bước sóng thì bài tốn
RWA chỉ cịn phần định tuyến (R). Vì vậy, giới hạn lời giải của bài toán RWA
tối thiểu sẽ là cận dưới của bài tốn khi có chuyển đổi bước sóng. Cận dưới
của bài tốn định tuyến theo lý thuyết Okamura-Seymour là kích cỡ của nhát
cắt cực đại MaxCut trên Ring. Trong đó, kích cỡ nhát cắt được định nghĩa như
tổng lưu lượng không được định tuyến trên Ring do nhát cắt gây ra đi qua hai
cạnh và chia Ring thành hai phần.
2.2.4.3 Phương pháp giải tuần tự
Bước 1: Định tuyến lưu lượng trong Ring
Trong bước này cần phải xác định tuyến lưu lượng thuận hoặc ngược chiều
kim đồng hồ với giả định có bộ chuyển đổi bước sóng. Để phục vụ cho phát
triển giải pháp ở chương 3, phần này của chương đã phát biểu bài toán dưới
dạng các mơ hình tốn học theo ILP cả định tuyến tối ưu cân bằng tải có hoặc
khơng tách lưu lượng. Các mơ hình này có thể được sử dụng để giải cho kết
quả tối ưu chính xác bằng giải thuật nhánh–cận nhờ các công cụ AMPL, Cplex
hay Scip.
Bước 2: Phân bổ hay gán bước sóng
Phân bổ bước sóng là một trong những đặc trưng riêng của WDM. Bài
toán phân bổ bước sóng được xem là NP-đầy đủ, và có thể áp dụng một số
cách giải sau:
1. Phương pháp tối ưu theo ILP. Cách này cho kết quả tối ưu chính xác tuy
nhiên chỉ phù hợp khi kích cỡ bài tốn nhỏ;
2. Các giải thuật Heuristic, theo đó sẽ cố gắng “điền” bước sóng theo cách tốt
nhất có thể. Trong phần này của luận án đã giới thiệu một thuật toán hiệu
quả đã được phát triển trong [6].
Thuật toán hai bước tuần tự kiểu như trên đã được thử trên rất nhiều mẫu
lưu lượng ngẫu nhiên và hầu hết cho kết quả tối ưu toàn cục. Chẳng hạn, trong
lần thử với mạng Ring 11 nút, lưu lượng giữa các cặp nút theo phân bố đều
giữa 0 và 5 kênh. Kết quả trung bình về u cầu số bước sóng lớn nhất là 35.
Trong 1000 phép thử, thuật tốn phân bổ bước sóng chỉ cho kết quả khơng tối
ưu trong 5 bước sóng. Tổn thất do thiếu bộ chuyển đổi bước sóng chỉ xấp xỉ: 5
bước sóng /(1000x35) = 0,01%. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả trên thế
giới khi thực hiện giải tối ưu chính xác theo mơ hình ILP cho bài tốn RWA.
Thảo luận
Những phân tích trên đây chỉ ra rằng trong trường hợp ma trận lưu lượng
biết trước, thì có thể phân bổ luồng quang rất hiệu quả trong các SPRing
WDM bằng các thuật toán theo cách giải hai bước. Lợi ích đem lại nhờ sử
dụng các bộ chuyển đổi bước sóng rất nhỏ với các giải thuật hiệu quả. Do đó
cho phép thiết kế mạng Ring với chi phí thấp hơn. Vì vậy, đây cũng là một cơ
sở để chương sau đưa ra giải pháp cho bài tốn tích hợp trong phạm vi tối ưu
topology với phần định tuyến (R), khơng bao gồm phần gán bước sóng (W).
Một mặt để giảm tính phức tạp của bài tốn tích hợp nếu đưa cả phần gán
bước sóng, mặt khác bài tốn sẽ có phạm vi áp dụng rộng hơn, tức là có thể áp
dụng cho cả các cơng nghệ Ring hai hướng khác mà khơng u cầu có phần
gán tài nguyên hay bước sóng chẳng hạn như trong mạng WDM có chuyển đổi
bước sóng. Tiếp theo sẽ giới thiệu bài toán thiết kế tối ưu topology và định
tuyến theo cách tiếp cận này.
2.3 BÀI TOÁN TỐI ƯU TOPOLOGY VÀ ĐỊNH TUYẾN RING QUANG
HAI HƯỚNG
2.3.1 Đặt vấn đề
Phương pháp và thuật toán thiết kế mạng Ring WDM hai hướng theo cách
tiếp cận tuần tự cho thấy tổng chi phí của Ring bao gồm chi phí tuyến và chi
phí thiết bị. Chi phí tuyến phụ thuộc vào tổng chu trình các tuyến kết nối tạo
nên Ring, cịn chi phí thiết bị phụ thuộc vào dung lượng đường truyền của
thiết bị.
Việc xác định topology của Ring thường thơng qua giải bài tốn dạng tìm
chu trình Haminton nhỏ nhất (hay bài tốn người du lịch - TSP) đi qua tất cả
11
12
các nút có trọng số là chi phí hay cự ly của từng tuyến. Đối với mạng có chi
phí đường truyền chiếm tỉ trọng lớn (đường trục hay cấp vùng) thì việc tìm
chu trình nhỏ nhất theo cự ly là hợp lý. Nhưng trong môi trường mạng ảo hay
mạng đô thị có khoảng cách trung bình giữa các nút ngắn (<10km), lưu lượng
lớn, chi phí thiết bị chiếm tỷ trọng lớn. Do vậy, trong môi trường này, xác
định topology vật lý cho mạng cấu hình SPRing cần tính đầy đủ đến cả hai chi
phí đường truyền và thiết bị. Chi phí thiết bị phụ thuộc vào dung lượng yêu
cầu tối thiểu hay tải của Ring để thỏa mãn ma trận lưu lượng. Như giới thiệu ở
phần trên, ngoài yếu tố về cách định tuyến, tải của Ring phụ thuộc vào mẫu
lưu lượng, vị trí tương đối giữa các nút trên Ring.
Hình 2-10 minh họa lưu đồ giải hai bước và ví dụ cho thấy ảnh hưởng của
phương pháp định tuyến và thứ tự kết nối các nút trên Ring đến tải hay dung
lượng yêu cầu tối thiểu của Ring để thỏa mãn ma trận lưu lượng D.
Các tham số đầu ra
Các tham số đầu vào
Các đầu vào:
1. Gọi topology có thể kết nối của mạng là Go= (V, Eo) là đồ thị vơ hướng,
trong đó V là tập N nút và Eo là tập các tuyến có trọng cij có thể thiết lập
giữa tập N nút thuộc V với N= |V| ≤ 16. Trong đó cij ≥ 0, tuyến kết nối
giữa i,j khơng tồn tại thì cij = ∞
2. Ma trận lưu lượng D = {dsd}, có các phần tử dsd ≥ 0 và nguyên là lưu
lượng kết nối giữa cặp nút nguồn s và đích d: s, d = 1..N.
Yêu cầu đầu ra của bài toán:
1. Xác định topology mạng cấu hình Ring Gl=(V, El) hay thứ tự kết nối các
nút tạo thành Ring (chu trình kín);
2. Xác định cách định tuyến từng lưu lượng trên Gl sao cho thoả mãn ma
trận lưu lượng D và xác định dung lượng (hay tải) tuyến El – là tổng lưu
lượng được định tuyến đi qua El. Dung lượng của Ring là dung lượng cực
đại của El.
Mục tiêu:
Hàm mục tiêu tùy thuộc vào ứng dụng, chẳng hạn tối thiểu:
+ Dung lượng cực đại trên các tuyến El hay còn gọi là Tải của Ring; hoặc
+ Tổng chi phí bao gồm cả chi phí tuyến kết nối El tạo thành Ring và chi phí
theo dung lượng của Ring.
Trong mơi trường mạng Ring ảo, hàm mục tiêu thường được xét đến là tối
đa thông lượng, hay tối thiểu dung lượng cần để thỏa mãn lưu lượng cho
trước.
Bài tốn này thuộc lớp NP-đầy đủ, vì bản thân từng bài toán con là: xác
định topology Ring (bài toán người du lịch TSP) và bài toán định tuyến cân
bằng tải của SPRing là NP-đầy đủ. Chương sau sẽ giới thiệu các giải pháp cho
bài toán này.
B
D
A
sd
D={d }
E
2
C
2
B
D
2
4
E
2
A
a. MaxCut = 10
d
b. MaxCut = 6
C={cij}
C
sd
Phương pháp định
tuyến: cân bằng tải,
có/ khơng tách,…
A
START
E
C
THIẾT KẾ TOPO
TSP (cij)
ĐỊNH TUYẾN
(SPRing/ DPRing)
dsd
END
2
2
4 B
2
c.MaxCut = 10
sd
D
xij=1
D
A
2
4
C
2
2
2 B
E
sd
A
d+ =3
E
B
sd
d- =1
E
2
2
A
4
2
B
2
2
D
C
D
C
2
d. Tách lưu lượng e. Không tách lưu
Tải của Ring (Z)=3
lượng: Z=4
2
TÍNH TỐN,
SO SÁNH
2
2
d
Tổng chi phí: TC = Σ xij*cij + cb*Z
Hình 2-10: Ví dụ về ảnh hưởng của topology và định tuyến đến kết quả
thiết kế khi thực hiện theo cách giải tuần tự.
Qua các kết quả và phân tích trên cho thấy, kết quả tối ưu của bài tốn
thiết kế mạng quang cấu hình Ring hai hướng phụ thuộc nhiều vào các yếu tố:
ma trận lưu lượng, topology và cách định tuyến. Đến nay chưa có cơng trình
nào phân tích ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố: chi phí đường truyền, lưu
lượng và phương pháp định tuyến đến kết quả thiết kế và cận dưới thực tế có
thể đạt được của cấu trúc Ring hai hướng. Sau đây sẽ phát biểu bài toán tối ưu
đồng thời cả topology và định tuyến lưu lượng cho Ring hai hướng.
2.3.2 Phát biểu bài tốn
Bài tốn này có thể được phát biểu dạng lời như sau: Tìm topology của Ring
(xác định thứ tự kết nối các nút trên Ring) và định tuyến lưu lượng trên
topology Ring thỏa mãn hàm mục tiêu nhất định, là tối thiểu tổng lưu lượng
đi qua từng cạnh hoặc tối thiểu tổng chi phí tuyến và thiết bị.
Bài tốn được mơ tả dưới dạng đồ thị như sau:
Mơ hình chi phí
CHƯƠNG 3.
XÂY DỰNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ
SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG QUANG WDM
CẤU HÌNH RING
3.1 GIỚI THIỆU
Trong chương này đề xuất các giải pháp để giải tối ưu bài toán thiết kế
topology và định tuyến tối ưu trên mạng quang cấu hình Ring hai hướng với
hàm mục tiêu về băng thơng và tổng chi phí. Cụ thể:
Đề xuất 1: Giải pháp heuristic theo cách tuần tự đó là tối ưu topology
theo hàm trọng có tính đến ảnh hưởng của lưu lượng, từ đó có ảnh hưởng đến
kết quả của định tuyến cân bằng tải;
Đề xuất 2: Giải pháp tích hợp tối ưu đồng thời topology và định tuyến
cân bằng tải thông qua việc đề xuất các mơ hình tốn học theo qui hoạch tuyến
tính nguyên ILP.
13
14
Chương 4 sẽ giới thiệu kết quả mô phỏng đánh giá các giải pháp này.
3.2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TOPOLOGY VÀ ĐỊNH
TUYẾN THEO TIẾP CẬN TUẦN TỰ
Phương pháp này dựa theo cách tiếp cận hai bước truyền thống là: giải bài
toán xác định topology tối ưu cho Ring theo TSP(x) với hàm trọng x, tiếp theo
giải bài toán định tuyến lưu lượng, phân bổ tài nguyên trên topology đã xác
định như lưu đồ Hình 3-1. Ý tưởng của phương pháp này là bằng cách xây
dựng hàm trọng x phù hợp cho bài toán xác định topology sẽ làm thay đổi vị
trí tương đối các nút trong ma trận lưu lượng trên Ring từ đó có ảnh hưởng
đến kết quả định tuyến lưu lượng trên Ring.
• Phương án 2: Hàm trọng x= -dij tương ứng lời giải TSP(-dij) {có thể sử
dụng TSP(1/dij)} đây là trường hợp thuận lợi cho SPRing về mặt lưu lượng:
cặp lưu lượng có số luồng lớn sẽ có số chặng nhỏ nhất là 1 (liền kề), các cặp
nút có lưu lượng nhỏ sẽ có số chặng lớn, từ đó có thể coi MaxCut là nhỏ
nhất. Trường hợp này khơng tính đến chi phí đường truyền cij khi xác định
topology.
• Phương án 2’: Hàm trọng x= dij tương ứng lời giải TSP(dij) - đây là trường
hợp bất lợi nhất cho SPRing: cặp lưu lượng có số luồng lớn sẽ có số chặng
lớn nhất, các cặp nút liền kề sẽ có lưu lượng nhỏ dẫn đến MaxCut là lớn
nhất- đây có thể coi là cận trên;
• Phương án 3: Hàm trọng x= cij -k×(C1/D0)×dij, với k là hệ số chỉ mức độ
quan trọng của phần lưu lượng (chi phí thiết bị) so với chi phí đường truyền.
Với hàm trọng này, lời giải TSP(cij- k x (C1/D0) x dij) sẽ bao gồm cả chi phí
đường truyền và lợi ích từ các cạnh có luồng lớn và sẽ cải thiện hơn về mặt
MaxCut của phương án 1. Với k=0, thì TSP(x)= TSP(cij), C3=C1 và Z3=Z1;
với k >>1, thì TSP(x)= TSP(–dij), C3=C2 và Z3=Z2; nếu k<< -1, thì TSP(x)=
TSP(dij), C3=C2’ và Z3=Z2’.
Có thể nhận thấy với hệ số k ≥ 0 phương án 3 cho kết quả trung gian giữa
phương án 1 và phương án 2 về mặt chi phí tuyến C và về yêu cầu dung lượng
Z. Tức là C1 ≤ C3 ≤ C2 và Z1 ≥ Z3 ≥ Z2.
3.3 ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH ILP ĐỂ GIẢI ĐỒNG THỜI BÀI TOÁN
THIẾT KẾ TOPOLOGY VÀ ĐỊNH TUYẾN
Phần này đề xuất cách giải đồng thời bài toán thiết kế topology và định
tuyến tối ưu cân bằng tải có/khơng tách lưu lượng trong mạng Ring quang hai
hướng bằng cách sử dụng mô hình tốn học theo ILP có các modul tương ứng
với các yêu cầu cần xác định về: topology, định tuyến và hàm mục tiêu.
3.3.1 Mơ hình ILP cho bài tốn thiết kế topology tích hợp với định tuyến
tối ưu trong mạng Ring có tách lưu lượng
a. Ràng buộc xác định topology Ring
Vấn đề này có dạng của bài tốn người du lịch (TSP) và có thể được mơ
hình bằng hệ các ràng buộc theo các cách khác nhau, cụ thể trong luận án sử
dụng theo các ràng buộc sau:
Gọi xij là biến lựa chọn tuyến giữa nút i, j = {1, 0}, xij = 1 nếu có tuyến kết
nối giữa nút i và j tạo lên cạnh của Ring, và xij=0 khi khơng có tuyến kết nối
giữa nút i và j.
(3-1)
Σi xij=1, với ∀ i = 1, ... ,N
(3-2)
Σj xij=1, với ∀ j = 1, ..., N
Hai ràng buộc này yêu cầu mỗi nút chỉ có 2 tuyến kết nối đến và đi.
(3-3)
ui ≤ N - 1 - (N- 2)* x1i ; với ∀ i ≥ 2;
(3-4)
ui ≥ 1 + (N - 2) * xi1 ; với ∀ i ≥ 2;
Hai ràng buộc này để loại khả năng tạo thành các Ring con.
Bắt đầu
Nhập đầu vào
Thiết kế các Topo Ring tối ưu: TSP theo các
ij
ij
hàm trọng: (cij), (-d ), (cij-k×C1/D0×d )
Định tuyến và định cỡ dung lượng Ring
Tính tổng chi phí, phân tích giải pháp
N
So sánh ?
Y
Kết thúc
Hình 3-1: Lưu đồ phương pháp thiết kế dựa trên hàm trọng.
3.2.1 Phương pháp hàm trọng
Giả sử cần xác định topology Ring đơn của N nút, với đầu vào: Tập các
tuyến kết nối giữa các nút là C={cij} – ma trận các chi phí đường truyền (hay
cự ly) và ma trận lưu lượng luồng quang D= {dij}. Việc lựa chọn hàm trọng x
cần tính đến ảnh hưởng cả chi phí đường truyền cij và chi phí thiết bị tại các
nút hay cần tính đến yếu tố tác động của lưu lượng dij lên dung lượng thiết bị.
Giả sử giải bài toán TSP theo các hàm trọng x ta có tổng chu trình là
L=TSP(x)= ∑xi,i+1, với i=N, thì i+1 trùng 1, cịn thứ tự các nút trong Ring
được xác định theo TSP(x) với biến là x. Xét đến một số phương án hàm trọng
x được đề xuất:
• Phương án 1: Hàm trọng x= cij tương ứng lời giải TSP(cij) có tổng chi phí
đường truyền C1 là nhỏ nhất và là phương án thường hay sử dụng trong thiết
kế truyền thống. Gọi tổng lưu lượng trên Ring là D0= ∑dij, thì C1/D0 là chi
phí đường truyền trung bình của một đơn vị lưu lượng;
15
16
(3-5)
xij∈ {0,1}, ui ≥ 0 cho ∀ i, j = 1, ..., N;
xij là các biến nhị phân và ui là số các nút đã đi qua đến khi gặp nút i.
b. Ràng buộc xác định cách định tuyến có tách lưu lượng trên Ring
Gọi fsdij là phần lưu lượng giữa nguồn s và d định tuyến trên tuyến i, j : s,
d, i, j = 1..N.
fsdij nguyên ≥ 0 và ≤ dsd
(3-6)
Ràng buộc này cho phép định tuyến tách lưu lượng trên 2 hướng.
(3-7)
Σj fsdij - Σj fsdji = 0 , với ∀ s, d, i = 1..N: s
sd
sd
(3-8)
Σj f ij - Σj f ji = d , với mọi s, d, i = 1..N: s
sd
sd
(3-9)
Σj f ij - Σj f ji = -d , với ∀ s, d, i = 1..N: s
điều kiện bảo toàn là: tổng lưu lượng vào một nút trung gian bằng tổng lưu
lượng đi ra nút, ngoại trừ nút nguồn s và nút đích d tương ứng với ràng buộc
(3-8) và (3-9).
(3-10)
(xij + xji )* dsd ≥ fsdij , với ∀ i, j, s, d = 1 ... N: s < d, i ≠ j
Đây là ràng buộc lưu lượng dsd được định tuyến trên link (i, j) hay (j, i) đối
xứng.
Gọi tổng dung lượng trên các tuyến i, j là Zij, ta có:
(3-11)
Z ij = Σsd (fsdij+fsdji) , với ∀ i, j: i ≠ j và s
Có thể xây dựng nhiều hàm mục tiêu khác nhau như sau:
- Tối thiểu về mặt dung lượng tải trên cạnh Ring:
(3-12)
Minimize {maximize (Zij)}, với ∀ i, j
Đây là hàm mục tiêu tối thiểu dung lượng tải lớn nhất trên các cạnh nối nút i,
j.
- Tối thiểu tổng chi phí tuyến:
(3-13)
Minimize {C = Σij cij * xij}
Khi đó bài tốn trở về TSP(cij) cổ điển và định tuyến tối ưu.
- Tối đa lưu lượng trên các cạnh liền kề của Ring theo TSP(-dij):
(3-14)
Minimize {Z = Σij (-dij * xij)}
Đây chính là cách giải Heuristic theo phương án 2 đã được đề xuất ở phần
“3.2.1 Phương pháp hàm trọng”.
- Tối thiểu hàm đa mục tiêu gồm cả chi phí tuyến và chi phí theo dung
lượng:
(3-15)
Minimize {TC = Σij cij * xij + cb * Max (Zij)}
Trong đó cb là chi phí cho một đơn vị băng thơng của Ring. Tuy nhiên, cần có
giá trị phù hợp tương đối với chi phí cij. Nếu cb nhỏ hay bằng 0 thì (3-15) trở
thành (3-13), cịn cb đủ lớn so với cij thì (3-15) trở thành (3-12). Nếu cb <<-1
thì (3-15) trở thành (3-14).
Bài tốn trên thuộc loại ILP vì có các ràng buộc và hàm mục tiêu tuyến
tính, và có các biến nhị phân, ngun. Bài tốn TSP có ràng buộc từ (3-1 đến
3-5) là thuộc loại NP-đầy đủ, do đó bài tốn (3-15) với các ràng buộc (3-1)
đến (3-11) cũng là thuộc loại NP-đầy đủ. Không gian lời giải của bài toán phụ
thuộc vào tổng số các biến xij, fsdij với các phần tử dsd ≠0 và các hệ phương
trình ràng buộc. Tuy nhiên, do số nút trong thực tế triển khai là nhỏ và số lưu
lượng dsd ≠0 khơng nhiều, do đó có thể giải trực tiếp bài toán này bằng giải
thuật Nhánh-Cận trong thời gian cho phép.
Bài toán (3-12) với các ràng buộc (3-1) đến (3-11) có hàm mục tiêu là tối
thiểu về mặt dung lượng tải, phù hợp với môi trường mạng MAN, trong đó có
chi phí thiết bị chiếm tỉ trọng lớn hơn nhiều chi phí tuyến, hoặc trong khi thiết
lập mạng Ring ảo trên mạng WDM.
3.3.2 Mơ hình ILP cho bài tốn thiết kế topology tích hợp với định tuyến
tối ưu trong mạng Ring không tách nhu cầu lưu lượng
Tương tự như mơ hình ILP trên điểm khác biệt chủ yếu của mơ hình này
là các ràng buộc về định tuyến có tách lưu lượng. Do đó, ta cũng có các hàm
mục tiêu và ràng buộc về xác định topology như mô hình trên, ngoại trừ ràng
buộc về định tuyến khơng tách lưu lượng.
a. Hàm mục tiêu
Có thể chọn một trong các hàm mục tiêu như (3-12), (3-13), (3-14) và (3-15).
b. Ràng buộc về xác định topology
Các ràng buộc tương tự như (3-1) đến (3-5).
c. Ràng buộc xác định cách định tuyến không tách lưu lượng trên Ring
fsdij nhị phân = 1 hoặc 0
(3-16)
Ràng buộc này thể hiện trên tuyến i, j có hoặc khơng có luồng dsd đi qua, tức
là khơng cho phép định tuyến tách lưu lượng trên 2 hướng Ring.
(3-17)
Σj fsdij - Σj fsdji = 0 , với ∀ s, d, i = 1..N: s
sd
(3-18)
Σj f ij - Σj f ji = 1, với ∀ s, d, i = 1..N: s
sd
(3-19)
Σj f ij - Σj f ji = -1, với ∀ s, d, i = 1..N: s
(xij + xji ) ≥ fsdij với ∀ i, j, s, d = 1 ... N: s < d, i ≠ j
(3-21)
Z ij = Σsd (fsdij+fsdji).dsd với ∀ i, j: i ≠ j và s
đến (3-11) tương ứng.
17
18
CHƯƠNG 4.
MƠ PHỎNG GIẢI BÀI TỐN TỐI ƯU TOPOLOGY
VÀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG QUANG CẤU HÌNH RING
4.1 GIỚI THIỆU
Để đánh giá kiểm chứng các giải pháp đã đề xuất ở chương 3, trong
chương này sẽ giới thiệu một số kết quả tính tốn mơ phỏng, với mục tiêu:
+ Đánh giá so sánh tương đối với các kết quả tương tự trên thế giới;
+ Đánh giá hiệu năng của các giải pháp để từ đó xác định miền áp dụng;
+ Khảo sát một số nhân tố ảnh hưởng đến kết quả bài tốn.
4.2 THIẾT LẬP MƠ PHỎNG
Sử dụng các giả định, thiết lập và tính tốn các tham số đánh giá tương tự
như các kết quả đã thực hiện trên thế giới về tối ưu topology cấu hình Ring hai
hướng. Cụ thể như sau:
a. Tham số đầu vào cho mỗi mẫu:
• Ma trận lưu lượng D={dsd} và ma trận chi phí tuyến C= {cij} đều có mẫu
dạng lưới ngẫu nhiên với mỗi phần tử có giá trị ngẫu nhiên theo phân bố
đều từ 0 – 16;
b. Số lượng mẫu mô phỏng được thực hiện:
• Để giảm sự thăng giáng của các kết quả mô phỏng, các tác giả trên thế giới
đã thử nghiệm trên số mẫu 100 và 50 tương ứng. Để tăng độ chính xác,
chúng tơi đã thực hiện mơ phỏng cho mỗi loại Ring có số nút N= 4 .. 7, và
8 tương ứng với số mẫu là 1000 và 100. Với số nút N=9, do thời gian tính
tốn lớn, nên số mẫu được thực hiện là 5.
c. Cách thực hiện mơ phỏng:
• Để đánh giá và so sánh chính xác giữa các giải pháp tuần tự và tích hợp,
luận án sử dụng các mơ hình theo ILP để giải cho kết quả chính xác, cụ thể
là:
1. Mơ hình ILP cho bài toán giải đồng thời tối ưu topology và định tuyến có
tách lưu lượng và khơng tách lưu lượng, theo hàm mục tiêu (3-12) và các
hệ phương trình ràng buộc tương ứng.
2. Mơ hình ILP cho bài tóan TSP theo các hàm trọng cij và –dij tương ứng
với hàm mục tiêu theo biểu thức (3-13) và (3-14) cùng các hệ phương
trình ràng buộc tương ứng;
3. Mơ hình ILP cho bài toán định tuyến tối ưu cân bằng tải có tách và
khơng tách lưu lượng như đã giới thiệu trong mục 2.2.4.3 chương 2;
• Sử dụng ngơn ngữ AMPL để mã hóa các mơ hình trên. Sử dụng bộ công
cụ thương mại Cplex 9.0 và phần mềm không thương mại Scip với giải
thuật nhánh – cận để giải tối ưu các mơ hình ILP trên và tính tốn so sánh
giữa các giải pháp.
• Mơi trường mơ phỏng: Pentium IV, 3 Ghz, Windows XP II.
• Để so sánh với các mơ hình mơ phỏng tương tự trên thế giới, hàm mục tiêu
tối thiểu băng thông cực đại hay tải của Ring được áp dụng. Với mỗi mẫu
lưu lượng, thực hiện theo 3 phương án sau:
1. Phương án 1: Giải pháp tích hợp tối ưu topology và định tuyến tối ưu có
tách lưu lượng và khơng tách lưu lượng theo hàm mục tiêu (3-12) và các
hệ ràng buộc tương ứng.
2. Phương án 2: Giải pháp hàm trọng theo tiếp cận tuần tự: Xác định
topology Ring tối ưu với các hàm trọng tối đa tổng lưu lượng giữa các
cạnh liền kề theo hàm mục tiêu (3-14); rồi định tuyến tối ưu cân bằng tải
có tách và khơng tách lưu lượng trên topology đã xác định;
3. Phương án 3: topology của Ring được xác định theo thứ tự ngẫu nhiên,
rồi định tuyến tối ưu cân bằng tải tương ứng có tách và khơng tách lưu
lượng.
• Các giá trị dung lượng hay tải của Ring và tổng chi phí của mỗi phương án
được tính tốn và so sánh cho mỗi mẫu mơ phỏng.
• Tham số so sánh giữa các phương án với cùng số liệu đầu vào là mức độ
cải thiện (hay độ lợi) tương đối về mặt dung lượng PI (%) giữa hai phương
án được định nghĩa theo công thức sau:
+ So sánh giữa phương án 1 so với phương án 2 :
(4-1)
PIO-H = (ZH - ZO)/ ZO (%)
Với ZO, ZH là giá trị tải của Ring tương ứng với phương án 1 và 2.
+ Giữa phương án 1 so với phương án 3:
PIO-R = (ZR – ZO)/ ZO (%)
(4-2)
Trong đó ZO, ZR là giá trị tải của Ring tương ứng với phương án 1 và 3.
• Tương ứng với mỗi loại Ring có số nút nhất định, thực hiện tính tốn các
giá trị thống kê trên số mẫu mô phỏng để so sánh và đánh giá, bao gồm các
thông số sau: Giá trị trung bình của thời gian giải mơ hình ILP bằng giải
thuật nhánh- cận cho kết quả tối ưu chính xác của phương án 1; Giá trị
trung bình PI(%); Khoảng tin cậy CI(%) của giá trị trung bình PI(%) với
độ tin cậy 95%; Tần suất xuất hiện (%) tương ứng với một dải PI(%) nhất
định là tỷ số giữa số mẫu có PI(%) thuộc dải đó trên tổng số mẫu mơ
phỏng.
4.3 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TỐI ƯU TOPOLOGY VỚI ĐỊNH TUYẾN
CÓ TÁCH NHU CẦU
Các kết quả nhận được cho các giải pháp 1, 2 và 3 đều cho kết quả tối ưu
tuyệt đối. Ngồi ra, giai đoạn đầu chưa có điều kiện tiếp cận Cplex, chúng tôi
cũng thử nghiệm giải bài tốn trên phần mềm khơng thương mại Scip và sau
này khi có điều kiện chạy trên Cplex, so sánh cho thấy kết quả giống nhau,
ngoại trừ khi số nút tăng thời gian xử lý của Cplex nhanh hơn Scip.
Hình 4-3 biểu diễn các đồ thị về giá trị trung bình của thời gian tính tốn
và PI(%) giữa các phương án 1 với phương án 2 và phương án 1 với phương
19
20
án 3. Kết quả cho thấy thời gian tính tốn theo hàm số mũ thể hiện rõ bài toán
thuộc loại NP- đầy đủ. Mức độ gần đúng của phương án 2 so với phương án 1
là nhỏ, và mức độ cải thiện về dung lượng trung bình khá lớn của phương án 1
(tối ưu đồng thời topology và định tuyến) so với phương án 3 (thiết kế truyền
thống- không tối ưu topology theo lưu lượng).
Kết quả mô phỏng cho thấy với tất cả các trường hợp, phương án 1 (tối ưu
đồng thời cả về topology và định tuyến) luôn cho kết quả tốt hơn so với
phương án 2 (Heuristic hàm trọng theo tiếp cận 2 bước) và phương án 3
(topology ngẫu nhiên và định tuyến tối ưu).
Với số nút càng tăng từ 4 – 8, tần suất phương án 1 tốt hơn 3 càng tăng và
PI càng lớn. Chẳng hạn, với số nút n=7, và trong 1000 mẫu thử ngẫu nhiên, số
trường hợp phương án 1 tốt hơn phương án 3 chiếm 99% và giá trị trung bình
PI nằm trong dải 22% ± 0,63% với độ tin cậy 95%. Tức là, để thoả mãn cùng
một ma trận lưu lượng giữa các nút, nếu sử dụng phương pháp thiết kế tối ưu
cả topology và định tuyến, về trung bình dung lượng yêu cầu chiếm giữ trên
Ring chỉ bằng 78% dung lượng của trường hợp theo thiết kế thông thường hai
bước.
Do vậy, cách giải theo phương án 2 cũng cho kết quả hợp lý và có thể áp dụng
đối với bài tốn cỡ lớn. Qua đây cũng cho thấy, mặc dù tổng các lưu lượng
giữa các nút liền kề trên các cạnh của Ring trong phương án 2 luôn lớn hơn
hoặc bằng phương án 1, nhưng tải cực đại của phương án 1 ln nhỏ hơn
phương án 2, từ đó cho thấy sự bố trí tương đối giữa các lưu lượng có ảnh
hưởng đến kết quả định tuyến tối ưu.
4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TỐI ƯU TOPOLOGY VỚI ĐỊNH TUYẾN
KHÔNG TÁCH LƯU LƯỢNG
Thực hiện mơ phỏng giải bài tốn tối ưu topology cấu hình Ring và định
tuyến tối ưu khơng tách lưu lượng cũng được thực hiện với cùng số liệu đầu
vào tương tự như trên. Để đánh giá hiệu quả của các giải pháp đề xuất, các kết
quả theo phương án 1, 2 và 3 tương ứng các giải pháp cũng được tính tốn và
so sánh.
Các kết quả thu được tương ứng với định tuyến không tách lưu lượng
cũng tương tự như trường hợp định tuyến có tách lưu lượng ở phần trên. Hình
4-4 biểu diễn đồ thị kết quả so sánh về mức độ hiệu quả dung lượng PI(%)
giữa các phương án 1, 2 và 3. Kết quả cho thấy mức độ cải thiện giữa phương
án 1 tốt hơn nhiều so phương án 3.
Định tuyến tối ưu cho phép tách nhu cầu lưu lượng
24%
25%
PI(%)
20%
22%
26%
100
15%
10
10%
10%
6%
4%
5%
1%
2%
1
0,1
4
0,01
5
6
7
8
9
số nút
PI(%) trung bình của Phương án 1 (Tối ưu tích hợp) so với phương án 2 (Hàm trọng)
PI(%) trung bình của Phương án 1 (tối ưu tích hợp) so với phương án 3 ( Ngẫu nhiên)
Thời gian giải ILP (sec)
Hình 4-3: Kết quả so sánh giữa các phương án 1, 2 và 3 với định tuyến có
tách lưu lượng.
Khi số nút nhỏ, cả 2 phương án 1 và 2 cho kết quả tương tự nhau, khi số
nút tăng lên thì mới thấy rõ hơn sự chênh lệch giữa 2 phương án. Tuy nhiên,
tần suất xuất hiện không nhiều và PI(%) giữa 2 giải pháp là không lớn, chẳng
hạn với số nút N=7, giá trị trung bình của PI(%) (chính là độ chênh lệch tương
đối) giữa phương án 1 và 2 nằm trong khoảng (4 ± 0.29)% với độ tin cậy 95%.
26%
26%
5%
6%
27%
23%
21%
20%
18%
15%
10%
5%
0%
0%
25%
1000
18%
Định tuyến tối ưu không cho phép tách nhu cầu lưu lượng
30%
10000
PI (%)
21%
100000
Thời gian( Sec)
30%
5%
3%
4%
3%
1%
0%
3
4
5
6 Nodes 7
8
9
10
PI(%) trung bình của Phương án 1 (tối ưu tích hợp) so với phương án 3 ( Ngẫu nhiên)
PI(%) trung bình của Phương án 1 (Tối ưu tích hợp) so với phương án 2 (Hàm trọng)
Hình 4-4: Kết quả so sánh giữa các phương án 1, 2 và 3 với định tuyến
khơng tách lưu lượng.
4.5 PHÂN TÍCH VÀ THẢO LUẬN
Trên cơ sở các kết quả mô phỏng trên, sau đây sẽ đưa ra một số quan sát và
nhận xét sau:
1. Trong tất cả các mẫu mô phỏng, kết quả của phương án 1 luôn tốt hơn
hoặc bằng kết quả của phương án 2 và 3. Do đó, về mặt thực nghiệm mô
21
yêu cầu) của Ring đó là topology và định tuyến. Mức độ đóng góp của
chúng trong phần hệ số cải thiện PI(%) cũng phụ thuộc vào nhau. Nếu sử
dụng phương pháp định tuyến tốt (chẳng hạn tối ưu cân bằng tải có tách
lưu lượng), thì phần PI(%) do yếu tố tối ưu topology đóng góp sẽ nhỏ.
Ngược lại, nếu phương pháp định tuyến kém hơn (ví dụ: tối ưu khơng
tách lưu lượng hay ngắn nhất…), thì phần đóng góp của tối ưu topology
vào PI(%) sẽ lớn.
c. Định tuyến với tách lưu lượng luôn cho kết quả tốt hơn không tách lưu
lượng, và độ chênh lệch giảm dần khi số nút tăng. Tức là với số nút đủ
lớn ( >6) thì lợi ích nhờ định tuyến tách lưu lượng khơng nhiều (4-5%),
do đó cần cân nhắc trong thiết kế và quản lý vì chức năng định tuyến tách
lưu lượng sẽ làm tăng phức tạp của quản lý và điều khiển, nhưng mặt
khác nhờ chức năng này cũng nâng cao độ khả dụng của dịch vụ do lưu
lượng được tách làm hai hướng trên Ring nên dịch vụ ln ln được
duy trì.
So sánh định tuyến tối ưu với tách hoặc không tách lưu lượng
18,0%
dsd= dsd+ + dsd-
16,0%
14,0%
d
sd
d
sd
d
-
sd
+
12,0%
r
10,0%
PI(%)
phỏng cũng cho thấy phương án 1 bao gồm tối ưu cả topology và định tuyến
tối ưu chính là cận dưới có thể đạt được của bài toán tối ưu topology và định
tuyến. Đây cũng là một ưu điểm của giải pháp tối ưu tuyệt đối theo ILP đó là
cho phép so sánh chính xác giữa các giải pháp - là một trong những kết quả
đạt được mà các nghiên cứu tương tự trước đây chưa chỉ rõ.
2. Thời gian tính tốn của giải pháp tích hợp theo ILP tăng nhanh theo hàm
mũ; N < 10 cho kết quả tối ưu có thể áp dụng trong thiết kế mạng quang
trong thực tế (N=9, thời gian ~ 10 h). Vì số biến và ràng buộc phụ thuộc vào
số nút N và số phần tử trong ma trận lưu lượng khác 0, do đó trong thực tế
nếu ma trận lưu lượng có nhiều phần tử bằng 0, thì bài tốn với số nút N ≥
10 có thể thực hiện được.
3. Giải pháp tích hợp cho kết quả lợi về mặt dung lượng tốt hơn nhiều so với
trường hợp ngẫu nhiên (20% -25%) với tần suất xuất hiện cao. Tham khảo
một số kết quả nghiên cứu tương tự trên thế giới với định tuyến cố định theo
đường ngắn nhất khơng tách lưu lượng cho thấy giá trị trung bình của PI(%)
giữa giải pháp tốt nhất so với trường hợp ngẫu nhiên với Ring có số nút N=
10 là 19,6% ± 6,5% với độ tin cậy 95%. Một kết quả nghiên cứu trên thế
giới khác có hàm mục tiêu tối thiểu tổng của tích lượng lưu lượng dsd với số
chặng mà lưu lượng được định tuyến trên Ring (tương tự như tổng băng
thông/tải trên các cạnh của Ring) và với Ring có số nút N= 16 thì kết quả đạt
được về giá trị trung bình của PI(%) giữa giải pháp theo thuật tốn mơ
phỏng tơi luyện SA so với trường hợp ngẫu nhiên là khoảng 10%.
4. Kết quả của phương pháp Heuristic hàm trọng xấp xỉ với kết quả chính xác
theo ILP với tần suất xuất hiện cao, do đó có thể áp dụng phương pháp
heuristic với số nút lớn. Giải pháp hàm trọng này khá đơn giản dễ tận dụng
các thuật tốn đã có và có thể nghiên cứu mở rộng cho cấu hình khác.
5. Phân tích ảnh hưởng của cách định tuyến có tách và khơng tách lưu lượng
đến kết quả tối ưu: Với cùng mẫu lưu lượng lời giải của 2 cách định tuyến
của từng phương án 1 hoặc 2 hoặc 3 được so sánh với nhau. Hình 4-6 biểu
diễn đồ thị PI(%) giữa hai cách định tuyến có tách so với khơng tách lưu
lượng. Kết quả cho thấy:
a. Số nút tăng từ 4 đến 8, độ lệch giữa 2 cách định tuyến giảm từ 10% ÷ 2%
đối với giải pháp tích hợp, và từ 16% ÷ 2% đối với giải pháp topology
ngẫu nhiên. Điều đó chứng tỏ là với nút nhỏ thì nhờ có tối ưu topology
mà hiệu quả dung lượng tăng lên bù lại với định tuyến.
b. Với cùng số nút, quan sát giá trị trung bình của PI(%) phương án 1 so với
phương án 3 với định tuyến khơng tách lưu lượng (xem Hình 4-4) lớn
hơn khi định tuyến có tách lưu lượng (xem Hình 4-3). Chẳng hạn với số
nút N= 7, giá trị trung bình của PI(%) phương án 1 so với phương án 3
của định tuyến khơng tách lưu lượng và có tách lưu lượng tương ứng là
26% và 22%. Điều này cho thấy khi xét trên cùng một ma trận lưu lượng,
thì có hai yếu tố góp phần đồng thời đến việc giảm tải (hay dung lượng
22
8,0%
6,0%
4,0%
2,0%
0,0%
4
5
6
7
8
# Nút 9
10
11
12
13
14
15
16
PI(%) so giữa định tuyến có tách và khơng tách nhu cầu lưu lượng với giải pháp theo phương án 1 (Tối ưu đồng thời
Topology và định tuyến)
PI(%) so giữa định tuyến có tách và không tách nhu cầu lưu lượng với giải pháp theo phương án 2 (Topology theo hàm
trọng rồi định tuyến)
PI(%) so giữa định tuyến có tách và khơng tách nhu cầu lưu lượng theo phương án 3 (Topology ngẫu nhiên và định
tuyến)
Hình 4-6: So sánh định tuyến tối ưu với tách hoặc không tách lưu lượng.
6. Khi xét đến hàm mục tiêu là tổng chi phí của Ring, với hệ số cb =1, kết quả
mô phỏng cũng cho thấy giải pháp của phương án 1 luôn lớn hơn phương 2
và 3. Tổng chi phí phụ thuộc vào hệ số điều chỉnh tương đối cb và 2 yếu tố
chi phí tuyến và thiết bị tương ứng với chúng là 2 ma trận ngẫu nhiên: chi
phí C = {cij} và lưu lượng D= {dsd}. Thực hiện mô phỏng với 100 mẫu với
23
Ring có số nút N=7, các phần tử trong ma trận chi phí tuyến C = {cij} theo
phân bố đều có giá trị từ 0-16; hàm mục tiêu là Tổng chi phí tuyến và thiết bị
là TC = Ctuyến + cb x Z, và cb =1 (Trong trường hợp này, tỉ trọng giữa Ctuyến
và Cthiết bị chiếm khoảng 50% trên tổng chi phí). Kết quả về PI(%) của TC so
giữa phương án 1 (tối ưu cả topology và định tuyến với hàm mục tiêu tổng
chi phí) với phương án 2 (tối ưu chi phí tuyến và định tuyến cân tối thiểu tải)
có giá trị từ 0%- 16% và trung bình là 3,4%. Để so sánh được chính xác cần
xác định được tỷ trọng của từng yếu tố đóng góp và tính tốn theo số liệu
thực. Triển khai thực tế mạng quang trong môi trường mạng đô thị ở Việt
nam các tuyến có cự ly ngắn (< 10 km), lưu lượng lớn, chi phí thiết bị chiếm
tỷ trọng lớn trên 80%. Qua kết quả mô phỏng tối ưu về mặt băng thơng trên
cũng có thể cho ta đánh giá sơ bộ về đóng góp của các yếu tố chi phí thơng
qua ví dụ như sau: Nếu yếu tố chi phí thiết bị và chi phí tuyến chiếm tỉ trọng
tương ứng trong tổng chi phí là 80% và 20%, khi tối ưu topology và định
tuyến có mức độ cải thiện về mặt thơng lượng là 26% thì phần đóng góp về
mặt cải thiện chi phí thiết bị trong tổng chi phí là 80% x 26%= 20,8%. Nếu
chi phí tuyến trong trường hợp đó mà tăng lên 20% thì phần đóng góp của
chi phí tuyến là: 20% x (-20%) = -4%. Mức độ cải thiện về tổng chi phí sẽ
là: 20,8% - 4 % = 16,8%. Do đó, phương pháp thiết kế mạng quang cấu hình
Ring khi tối ưu đồng thời cả topology và định tuyến nói chung sẽ đem lại
hiệu quả cao hơn so với phương pháp thiết kế tuần tự thông thường, nhất là
trong môi trường mạng đô thị hoặc khi thiết kế Ring ảo chạy trên WDM.
24
KẾT LUẬN
Ở Việt Nam nói riêng, trên thế giới nói chung, mạng truyền tải quang được
triển khai phổ biến với cấu hình Ring, cả trước đây, hiện nay và trong mạng
thế hệ tiếp theo (NGN). Theo hướng tìm kiếm giải pháp nâng cao hiệu quả sử
dụng tài nguyên trong mạng truyền tải quang, luận án này là kết quả nghiên
cứu góp phần giải quyết một vấn đề đã, đang và sẽ còn được tiếp tục nghiên
cứu, đó là tối ưu cấu trúc (topology) và định tuyến bước sóng trong mạng
truyền tải quang nhiều kênh ghép theo bước sóng (WDM) có cấu hình Ring
phổ biến hiện nay và cấu hình mắt lưới (Mesh) trong tương lai.
Ngoài tổng hợp những nội dung lý luận để làm sáng tỏ cho những giải
pháp đề xuất, luận án có những đóng góp mới :
• Phát triển phương pháp thiết kế tối ưu mới thông qua việc xây dựng và
giải bài toán tối ưu đồng thời topology và định tuyến cân bằng tải cho
mạng quang WDM cấu hình Ring;
• Phát triển phương pháp giải bài toán tối ưu đồng thời topology và định
tuyến cân bằng tải bằng sử dụng phương pháp theo quy hoạch tuyến tính
nguyên (ILP) và phương pháp heuristic hàm trọng đơn giản;
• Thực hiện mơ phỏng để kiểm chứng;
• Đưa ra kiến nghị áp dụng phương pháp thiết kế đề xuất cho các mạng
quang.
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Trên cơ sở những kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện luận án,
trong thời gian tới nghiên cứu của nghiên cứu sinh vẫn sẽ chủ yếu theo hướng
nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng truyền tải quang. Trong một
vài năm trước mắt, tiếp tục một số nghiên cứu theo hướng mở rộng áp dụng
bài tốn tích hợp tối ưu topology và định tuyến bước sóng cho mạng quang
WDM với các điều kiện và cấu hình khác, cụ thể:
+ Giải bài tốn tích hợp 3 lớp: Tối ưu topology Ring ảo, định tuyến lưu lượng
trên Ring ảo và định tuyến bảo vệ Ring ảo trên mạng quang WDM;
+ Mở rộng các điều kiện ràng buộc bài toán: cho tải đối xứng/ bất đối xứng,
lưu lượng động, lưu lượng Multicast, khi có các yêu cầu về tham số vật lý
(tán sắc, bước sóng, cơng suất, nhiễu...), các mức chất lượng dịch vụ hay
với các cơ chế bảo vệ/khôi phục khác nhau,...
+ Nghiên cứu xây dựng và giải bài tốn nhóm lưu lượng (Traffic grooming)
trong mạng với mục tiêu tối thiểu số thiết bị và có khả năng thay đổi thứ tự
nút trên Ring.
Về lâu dài, nghiên cứu sinh sẽ tiếp tục những nghiên cứu phát triển theo
hướng chuyên sâu vào mạng truyền tải quang thế hệ tiếp theo (mạng quang đa
bước sóng, chuyển mạch quang, cấu hình hỗn hợp và có sự tương tác giữa các
lớp mạng). Những vấn đề nghiên cứu cụ thể là cùng nhịp với nghiên cứu trên
thế giới và phù hợp với ứng dụng ở Việt Nam.
25
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
[1]
Vu Hoang Son, Bui Trung Hieu (2008), Integrated Bidirectional Ring
Design with Splittable Traffic Routing, 2008 International Conference on
Advanced Technologies for Communications, ATC 2008, Hanoi 6-9 Oct. 2008
Page(s):384 – 387.
/>60603&isnumber=4760486
[2]
Vũ Hoàng Sơn, Bùi Trung Hiếu, Hoàng Ứng Huyền (2008), Thiết kế
topology và định tuyến tối ưu Ring quang hai hướng trong mạng quang thế hệ
sau với cách tiếp cận ILP, Kỷ yếu hội thảo khoa học Quốc gia lần thứ tư về
Nghiên cứu, Phát triển và Ứng dụng công nghệ Thông tin và Truyền thôngICT.rda’08, Hà nội 8-9/8/2008, trang 321-327.
[3]
Vũ Hoàng Sơn, Bùi Trung Hiếu, Hoàng Ứng Huyền (2008), Giải
pháp bảo vệ và định tuyến vịng gói tự hồi phục ảo trên mạng quang thế hệ
sau, Kỷ yếu hội thảo khoa học Quốc gia lần thứ tư về Nghiên cứu, Phát triển
và Ứng dụng công nghệ Thông tin và Truyền thông- ICT.rda’08, Hà nội 89/8/2008, trang 328-335.
[4]
Vũ Hoàng Sơn, Bùi Trung Hiếu, Hoàng Ứng Huyền (2006), Phương
pháp thiết kế tối ưu mạng quang WDM cấu hình Ring, Kỷ yếu hội thảo khoa
học Quốc gia lần thứ ba về Nghiên cứu, Phát triển và Ứng dụng công nghệ
Thông tin và Truyền thông- ICT.rda’06, Hà nội 20-21/5/2006, trang 18-24.
[5]
Vu Hoang Son, Le xuan Trung (2006), Method for optimizing optical
ring topology in Metropolitan Area Network (MAN) in Vietnam, Proceedings
of 34th Asian Info-communications Council Conference, Doc. No. 124, 15-19
May 2006.
[6]
Vũ Hoàng Sơn, Bùi Trung Hiếu, Vũ Tuấn Lâm (2003), Phân bổ băng
tần trong mạng vòng quang WDM và ứng dụng, Tạp chí Bưu chính Viễn thơng
chun san “Các cơng trình nghiên cứu triển khai Viễn thơng và CNTT”, Bộ
Bưu chính viễn thơng, số 9, 3-2003, trang 21- 29.
[7]
Vũ Tuấn Lâm, Vũ Hồng Sơn (2003), Xu hướng tích hợp IP/quang
trong mạng quang thế hệ sau, Tạp chí Bưu chính Viễn thơng, sơ 5,2003, trang
20-23. />[8]
Vũ Hồng Sơn (2001), Phương pháp thiết kế mạng truyền tải quang
SDH, Tạp chí Bưu chính Viễn thơng chun san “Các cơng trình nghiên cứu
triển khai Viễn thơng và CNTT”, Bộ Bưu chính viễn thơng, số 5, 3/2001, trang
5-13.
