Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử định tuyến và gán bước sóng trong mạng wdm sử dụng giải thuật di truyền

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM bằng giải thuật di truyền, tối ưu hiệu suất mạng.

• Tác giả: Phạm Hoàng Hải
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM sử dụng giải thuật di truyền
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn 'Định Tuyến Và Gán Bước Sóng Trong Mạng WDM Sử Dụng Giải Thuật Di Truyền' tập trung vào việc giải quyết bài toán Routing and Wavelength Assignment (RWA) trong mạng quang ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM). Bài toán này đòi hỏi tối ưu hóa việc định tuyến và gán bước sóng để giảm thiểu xác suất nghẽn và tăng hiệu suất mạng. Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) được đề xuất như một phương pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này, với hàm thích nghi được thiết kế để cân bằng giữa số node mạng đi qua và số bước sóng còn trống.

1.1 Tổng quan và động lực đề tài

Mạng WDM đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường băng thông và hiệu suất mạng lõi. Bài toán RWA được chia thành hai loại chính: Static RWA (SRWA) và Dynamic RWA (DRWA). Trong đó, DRWA tập trung vào việc xử lý các yêu cầu kết nối ngẫu nhiên, với mục tiêu giảm thiểu xác suất nghẽn. Giải thuật di truyền được áp dụng để tối ưu hóa quá trình này, với hàm thích nghi mới được đề xuất để cải thiện hiệu suất mạng.

1.2 Nội dung thực hiện

Luận văn đề xuất một giải thuật di truyền mới (GA-RWA-New) với hàm thích nghi được thiết kế để xem xét cả số node mạng đi qua và số bước sóng còn trống. Hàm thích nghi này giúp cải thiện vấn đề cân bằng tải và giảm thiểu xác suất nghẽn. Giải thuật được mô phỏng trên các mạng chuẩn như NSFNET và ARPANET để đánh giá hiệu quả.

II. Các thành phần trong mạng WDM

Mạng WDM bao gồm nhiều thành phần quan trọng như bộ ghép kênh xen rớt bước sóng, bộ chuyển mạch quang, bộ tách/ghép tín hiệu, và bộ khuếch đại quang. Các thành phần này đóng vai trò thiết yếu trong việc truyền tải và xử lý tín hiệu quang. Việc hiểu rõ cấu trúc và chức năng của các thành phần này là cần thiết để áp dụng hiệu quả giải thuật RWA.

2.1 Tổng quan về WDM

Công nghệ WDM cho phép truyền nhiều kênh bước sóng đồng thời trên một sợi quang, giúp tăng cường băng thông và hiệu suất mạng. Các thành phần chính của mạng WDM bao gồm bộ ghép kênh, bộ chuyển mạch, và bộ khuếch đại quang, đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và truyền tải tín hiệu.

2.2 Các thành phần trong mạng WDM

Các thành phần chính trong mạng WDM bao gồm bộ ghép kênh xen rớt bước sóng, bộ chuyển mạch quang, bộ tách/ghép tín hiệu, và bộ khuếch đại quang. Mỗi thành phần có chức năng riêng biệt, đóng góp vào việc tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của mạng.

III. Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

Bài toán RWA trong mạng WDM được chia thành hai loại chính: Static RWA (SRWA) và Dynamic RWA (DRWA). SRWA tập trung vào việc tối ưu hóa tài nguyên mạng cho các kết nối cố định, trong khi DRWA xử lý các yêu cầu kết nối ngẫu nhiên với mục tiêu giảm thiểu xác suất nghẽn. Giải thuật di truyền được áp dụng để giải quyết bài toán DRWA, với hàm thích nghi được thiết kế để cân bằng giữa số node mạng đi qua và số bước sóng còn trống.

3.1 Bài toán định tuyến và gán bước sóng

Bài toán RWA đòi hỏi tối ưu hóa việc định tuyến và gán bước sóng để giảm thiểu xác suất nghẽn và tăng hiệu suất mạng. SRWA tập trung vào việc tối ưu hóa tài nguyên mạng cho các kết nối cố định, trong khi DRWA xử lý các yêu cầu kết nối ngẫu nhiên.

3.2 Định tuyến và gán bước sóng động

Trong DRWA, các yêu cầu kết nối đến ngẫu nhiên và cần được xử lý nhanh chóng. Giải thuật di truyền được áp dụng để tối ưu hóa quá trình này, với hàm thích nghi được thiết kế để cân bằng giữa số node mạng đi qua và số bước sóng còn trống.

IV. RWA sử dụng giải thuật di truyền

Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) được áp dụng để giải quyết bài toán RWA trong mạng WDM. Hàm thích nghi được thiết kế để đánh giá mỗi kết nối quang dựa trên số node mạng đi qua và số bước sóng còn trống. Giải thuật này giúp cải thiện vấn đề cân bằng tải và giảm thiểu xác suất nghẽn.

4.1 Giải thuật di truyền

Giải thuật di truyền là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý chọn lọc tự nhiên. Trong bài toán RWA, giải thuật này được sử dụng để tìm ra lộ trình và bước sóng tối ưu cho các kết nối quang.

4.2 Hàm thích nghi

Hàm thích nghi trong giải thuật di truyền được thiết kế để đánh giá mỗi kết nối quang dựa trên số node mạng đi qua và số bước sóng còn trống. Hàm này giúp cải thiện vấn đề cân bằng tải và giảm thiểu xác suất nghẽn.

V. Kết quả mô phỏng

Giải thuật GA-RWA-New được mô phỏng trên các mạng chuẩn như NSFNET và ARPANET để đánh giá hiệu quả. Kết quả mô phỏng cho thấy giải thuật mới giúp giảm thiểu xác suất nghẽn và cải thiện hiệu suất mạng so với giải thuật di truyền cũ.

5.1 Mô hình mô phỏng

Giải thuật GA-RWA-New được mô phỏng trên các mạng chuẩn như NSFNET và ARPANET bằng công cụ OWNS/ns-2. Các thông số như xác suất nghẽn, hệ số sử dụng đường truyền, và số bước nhảy trung bình được thu thập để đánh giá hiệu quả.

5.2 Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy giải thuật GA-RWA-New giúp giảm thiểu xác suất nghẽn và cải thiện hiệu suất mạng so với giải thuật di truyền cũ. Điều này chứng tỏ hiệu quả của hàm thích nghi mới trong việc cân bằng tải và tối ưu hóa quá trình định tuyến.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã đề xuất một giải thuật di truyền mới (GA-RWA-New) để giải quyết bài toán RWA trong mạng WDM. Giải thuật này giúp giảm thiểu xác suất nghẽn và cải thiện hiệu suất mạng. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc áp dụng giải thuật này trên các mạng phức tạp hơn và tích hợp thêm các yếu tố tối ưu hóa khác.

6.1 Kết luận

Giải thuật GA-RWA-New đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm thiểu xác suất nghẽn và cải thiện hiệu suất mạng. Hàm thích nghi mới giúp cân bằng tải và tối ưu hóa quá trình định tuyến.

6.2 Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc áp dụng giải thuật này trên các mạng phức tạp hơn và tích hợp thêm các yếu tố tối ưu hóa khác để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của mạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 – Giới thiệu 5 Đề tài: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM sử dụng giải thuật di truyền CHƢƠNG 2 - CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠNG WDM 2.1 Tổ ng quan về WDM Mạng quang (Optical Network) đã trở thành mạng truyền dẫn chính trong hơn thập kỷ qua nhờ sự ổn định, băng thông cao, độ trễ thấp. Mạng quang đƣợc sử dụng chủ yếu cho hạ tầng mạng IP, SDH, ATM, Ethernet… sử dụng chủ yếu là một bƣớc sóng. Trong vài năm lại đây, nhu cầu thông tin bùng nổ và ngày càng nhiều dịch vụ đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng nhƣ Truyền hình theo yêu cầu (VoD), truyền hình quảng bá (Multicast), hội nghị truyền hình, game… làm nhu cầu băng thông truyền tải trên mạng tăng liên tục. Mạng WDM sử dụng nhiều bƣớc sóng truyền trên mỗi sợi quang là một lời giải cho nhu cầu băng thông trên.

Chƣơng này sẽ giới thiệu nguyên tắc cơ bản của mạng WDM và tổng quan về những nghiên cứu gần đây cũng nhƣ những bƣớc tiến trong lĩnh vực nâng cao băng thông truyền tải cho mạng, số bƣớc sóng có thể đƣợc sử dụng trên mỗi sợi cáp, băng thông trên mỗi bƣớc sóng… Hình 2.1 Biểu đồ dự báo phát triển băng thông Ethernet[11] Theo lý thuyết, khả năng mang thông tin trên mỗi sợi quang là vô hạn [16], tuy nhiên theo tài liệu băng thông khả dụng trên sợi quang có thể đạt đƣợc là 50Tbps, Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 6 Đề tài: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM sử dụng giải thuật di truyền suy hao thấp vào khoảng 0.2 dB/km, méo tín hiệu thấp, tiêu tốn năng lƣợng thấp, sử dụng chất liệu ít, và giá thành giảm. Thách thức là làm cách nào ứng dụng khả năng đó của sợi quang để đáp ứng nhu cầu thực tế. Mỗi sợi quang đơn mode có thể truyền tải đến 50Tbps, nghĩa là có thể gấp hơn nhiều lần so với khả năng hoạt động của các thiết bị điện tử (vào khoảng tối đa là 10Gbps). Các nỗ lực nhằm mục đích làm sao để tận dụng hết đƣợc khả năng của sợi quang mà vẫn không vƣợt quá những hạn chế của các thiết bị điện tử hiện đại.

Giải pháp là ghép nhiều thành phần truyền dẫn một cách tuần tự, sự tuần tự có thể là bƣớc sóng hay tần số (WDM- Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng), theo thời gian (TDM- ghép phân chia theo thời gian), hay theo dạng sóng (CDM, trải phổ, ghép kênh phân chia theo mã). Ghép kênh phân chia bƣớc sóng WDM với những ƣu điểm vƣợt trội đã trở thành công nghệ chủ yếu để truyền tải lƣu lƣợng lớn.2 Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng Ghép kênh WDM là công nghệ cho phép các nguồn phát laser truyền đồng thời nhiều bƣớc sóng (lambda) khác nhau trên một sợi cáp quang duy nhất. Mỗi tín hiệu với các bƣớc sóng khác nhau mang thông tin (thoại, video, data. WDM đƣợc sử dụng trong truyền tải làm tăng lƣu lƣợng một cách ngoạn mục gần đây lên đến vài trăm Gbps.

WDM đƣợc phát triển và sau này còn có thêm DWDM (Dense WDM) thực chất nền tảng vẫn là từ các nguyên lý ghép kênh WDM. Ghép kênh phân chia bƣớc sóng WDM là giải pháp có thể hóa giải vấn đề không tƣơng thích tốc độ giữa sợi quang và thiết bị điện tử bằng cách cho phép mỗi thiết bị điện tử ở đầu cuối hoạt động ở tốc độ điện tử nào đó, nhiều thiết bị nhƣ vậy có thể ghép kênh lên trên cùng một sợi quang. Phổ truyền dẫn đƣợc chia thành nhiều phần nhỏ để phân chia thành nhiều thành phần khác nhau mà không bị chồng lấn lên nhau. Mỗi bƣớc sóng hỗ trợ cho một kênh truyền đơn tại một tốc độ mong muốn, nghĩa là tốc độ tối đa của thiết bị điện tử.

Do đó, khi cho phép nhiều kênh WDM cùng đồng thời hoạt động trên một sợi quang thì ta có thể đạt đƣợc dung lƣợng khổng lồ. Vấn đề còn lại là việc thiết kế và phát triển kiến trúc mạng, giao thức và giải thuật tƣơng ứng. Cũng vậy các thiết bị WDM dễ dàng sản suất và phát triển vì các thành phần của nó hoạt động trong tốc độ cho phép của các thiết bị điện tử. Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 7 Đề tài: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM sử dụng giải thuật di truyền Hình 2.2 Miền suy hao thấp của sợi quang.

Ghép thêm nhiều bƣớc sóng để có thể truyền trên một sợi quang, không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bƣớc sóng. Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện nhất trong điều kiện công nghệ hiện tại. Thứ nhất nó vẫn giữ tốc độ xử lý của các linh kiện điện tử ở mức 10Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại. Thay vào đó, công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bƣớc sóng 1260nm đến 1675nm.

Khoảng bƣớc sóng này đƣợc chia làm nhiều băng sóng hoạt động nhƣ minh hoạ trên bảng 1. Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng này). Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L. Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bƣớc sóng là 100 Ghz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bƣớc sóng hoạt động trên mỗi băng.

Nhƣ vậy, nếu vẫn giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần! Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 8 Đề tài: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM sử dụng giải thuật di truyền Bảng 1. Lƣới phân chia các băng sóng của ITU Băng sóng Mô tả Phạm vi bƣớc sóng (nm) Băng O Orginal 1260-1360 Băng E Extended 1360-1460 Băng S Short 1460-1530 Băng C Conventional 1530-1565 Băng L Long 1565-1625 Băng U Ultra long 1625-1675 Tổ chức ITU chia các các bƣớc sóng ra thành một lƣới. Lƣới này chia thành nhiều băng. Băng C và L thƣờng đƣợc dùng cho hệ thống DWDM.3 Khoảng cách giữa các kênh trên lƣới ITU là 100Ghz.3 Các thành phân trong mạng WDM Mạng WDM đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống mạng xƣơng sống (backbones) đƣợc nghiên cứu và phát triển rộng rãi ở Mỹ và Nhật Bản[12].

Các thành phần cơ bản của một mạng WDM nhƣ vậy gồm: Sợi quang, Ánh sáng lazer truyền, bộ phát (transmiter), bộ thu (receiver), Bộkhuếch đại (Amplifier). Phần này sẽ giới thiệu chi tiết các đặc tính kỹ thuật của từng thành phần trên. Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 9 Đề tài: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM sử dụng giải thuật di truyền Hình 2.4 Các thành phần trong mạng WDM Mạng nguyên thủy ban đầu của công nghệ WDM là sử dụng điểm - điểm trƣớc khi ra đời các cấu trúc mạng phức tạp nhƣ hiện nay. Nhƣ là một bƣớc đệm, phần này trình bày nguyên tắc kết nối giữa 2 node mạng WDM, việc mở rộng mạng cũng dựa trên cùng một nguyên tắc.

Mạng điểm – điểm gồm có các hệ thống OC-48 (2.5Gbps) đến OC-192 (10Gbps). Trong lý thuyết thông tin quang OC-n nghĩa là Kênh quang (Optical Channel) và nđại diện cho tốc độ. “OC-n” thay cho tốc độ nx51. Nhƣ vậy hệ thống OC- 48 có tốc độ là 2.5Gbps và tƣơng ứng OC-192 có tốc độ là 10Gbps.

Ngoài ra còn có các hệ thống OC-768 (40Gbps) và một số thiết bị đang đƣợc phát triển sau này.1 Bộ ghép kênh xen rớt bƣớc sóng Hình 2.5 Bộ ghép kênh xen rớt bƣớc sóng Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 10 Đề tài: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM sử dụng giải thuật di truyền 2.2 Bộ chuyển mạch quang Để có một mạng WDM với các sợi quang đa bƣớc sóng kết nối với nhau, cần có các thiết bị chuyển mạch quang tƣơng ứng. Các thiết bị này đƣợc phân làm ba loại: - Chuyển mạch hình sao thụ động (Passive Star) - Bộ định tuyến thụ động (Passive Router) - Chuyển mạch chủ động (Active Switch) A. Chuyển mạch hình sao thụ động Là thiết bị chuyển mạch kiểu “Quảng bá” – Broadcast. Một tín hiệu bƣớc sóng đến từ một sợi quang sẽ đƣợc chia ra làm nhiều hƣớng với công suất bằng nhau, xuất hiện đồng thời cùng một bƣớc sóng tại tất cả các cổng ra.

Ví dụ nhƣ trong hình 1.4 , một tín hiệu bƣớc sóng 1 từ ngõ vào sợi quang thứ 1 và tín hiệu bƣớc sóng 4 từ sợi quang thứ 4 đƣợc phát quảng bá đến tất cả các cổng ra. Đụng độ sẽ có thể xảy ra nếu nhƣ 2 hay nhiều hơn sợi quang vào cùng hoạt động tại một bƣớc sóng trùng nhau. Do đó một mạng chuyển mạch hình sao thụ động kích thƣớc NxN có thế đồng thời thực hiện đƣợc N kết nối đi qua nó.6 Chuyển mạch hình sao thụ động Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 11 Đề tài: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM sử dụng giải thuật di truyền B. Bộ đinh tuyến thụ động Một bộ định tuyến thụ động (Passive Router) trƣớc hết sẽ tách các bƣớc sóng riêng rẽ ra từ một sợi mang tín hiệu tới thành nhiều thành phần bƣớc sóng trƣớc khi kết nối với các ngõ ra tƣơng ứng.

Nhƣ trong hình 1.5, các bƣớc sóng đƣợc chia ra làm 1 , 2 , 3 , 4 đƣa đến các ngõ ra tƣơng ứng là 1, 2, 3, 4. Nhờ vậy các bƣớc sóng có thể đƣợc tái sử dụng, nghĩa là các bƣớc sóng trùng nhau có thể đƣợc sử dụng đồng thời ở nhiều sợi khác nhau riêng rẽ. Một bƣớc sóng đến từ một sợi nào đó ở ngõ vào sẽ đƣợc chuyển mạch sang một ngõ ra tại một bƣớc sóng nào đó dựa vào ma trận định tuyến đặc trƣng của bộ dẫn đƣờng. Ma trận này tùy thuộc vào các liên kết nội trong một bộ dẫn giữa các tầng DEMUX và MUX.

Một ma trận định tuyến là cố định và không thể thay đổi. Các bộ dẫn ngoài thị trƣờng đƣợc gọi với tên là bộ dẫn Latins, bộ dẫn lƣới (WGRs), bộ dẫn bƣớc sóng (WRs). Giả sử có nhiều bƣớc sóng hoạt động trên một sợi quang. Một bộ dẫn kích thƣớc NxN có thể thực hiện chuyển mạch N 2 kết nối đồng thời đi qua nó, tuy nhiên nó thiếu sự quảng bá hơn trƣờng hợp chuyển mạch hình sao thụ động.7 Bộ định tuyến thụ động 4x4 Chương 2 – Các Thành Phần Trong Mạng WDM 12 Đề tài: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM sử dụng giải thuật di truyền C.