Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng quang WDM cấu hình ring

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 để xuất đem lại hiệu q

HOC VIEN CONG NGHE BUU CHINH VIEN THONG

a i i a a a ie k k k

Vũ Hoàng Sơn

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUÁ SỬ DỤNG

TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG QUANG WDM

CAU HINH RING

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã sô: 62.52.70.05

TOM TAT LUAN AN TIEN SI KY THUAT

Hà nội — 2012

Luan án được hoàn thành tại: -

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Bui Trung Hiéu

2 TS Hoang Ung Huyén

Phan bién 1:

GS.TSKH Đào Khắc An

Phản biện 2:

PGS.TS Phùng Quốc Bảo

Phản biện 3:

TS Bùi Việt Khôi

Luận án được bảo vệ tại Học viện Công nghệ Bưu chính

Viên thông vào lúc l4 giờ 00, ngày 06 thang 01 nam

2012

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia,

- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông

MO DAU

Trong những năm gân đây, với sự bùng nỗ của dịch vụ trên nền giao thức

Internet (IP) và với sự phát triển nhảy bậc vẻ công nghệ quang nói chung và

công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDMI) nói riêng đã cho phép cũng như

thúc đây 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 đề cung

cấp các dịch vụ băng tần theo nhu cầu hay tô 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 cầu 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 khôi 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 tiễn 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 khiến, quản lý tài nguyên mạng nói riêng được chú

ý rat 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 rat nhiều vấn đề mới có ý nghĩa khoa học và thực tiên lớn, điển

hình là các vẫn 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 hướng lớn đến sự phát triển

của lĩnh vực công 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 nguyên

mạng để có thể áp dụng trong quá 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 câu hình Ring hai hướng có khả năng áp dụng trong môi

trường mạng MAN hay Ring ảo

Cho đến nay, các nghiên cứu về vấn đề thiết kế tối ưu mạng quang WDM

cầu hình Ring thường được thực hiện tuân tự theo cách tối ưu topology roi

dinh tuyén 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

tông chỉ 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) va cho két quả gan đúng theo phương pháp Heuristie sẽ được sử dụng để phân tích, mô 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 để xuất đem lại hiệu quả sử dụng tải nguyên mạng rất cao (trên 20%) so với các kết quả nghiên cứu trước đây theo cách tuần tự truyền thống Các kết quả nảy có thể áp dụng cho quá trình thiết kế mạng Ring quang trong môi trường mạng đô thị

Hướng nghiên cứu này cũng có thê được phát triển cho các cầu 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 công việc rất có ý nghĩa không chỉ trong quá trình xây dựng và khai thác mạng mà còn trong nghiên cứu phát triển

Trong nghiên cứu, việc sử dụng các mô hình, công cụ toán học và mô

phỏng tiên tiến để phân tích, đánh giá về khả năng điều khiến, 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 viên thông nói chung và thông tin quang nói riêng

Nội dung của luận án được to chức thành 4 chương ‹ chính, bao gồm: Chương 1 giới thiệu tổng quan vỀ mạng quang và vấn đề tôi ưu tài nguyên trong mạng quang câu hình Ring Trong chương này đưa ra xu hướng phát triển mạng truyền tải quang và xác định hướng nghiên cứu của luận án vê tối

ưu tải 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 tôi ưu fopology và định tuyến trong mạng quang WDM cấu hình Ring trên cơ sở tông hợp những phương pháp thiết kế và phân bố tài nguyên truyền thống trong mạng quang nói chung va mạng cấu hình Ring nói riêng, và qua đó thấy rõ hơn tính hiệu quả về phân bố

và quản lý tài nguyên của cấu trúc mạng đang nghiên cứu

Chương 3 đè xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên trong mạng quang WDM cầu hình Rừng 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 mô phỏng giải bài toán tôi ưu fopology và định tuyến đề 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 s6 van dé, hướng nghiên cứu mới.

3

CHƯƠNG I1 TONG QUAN VE MANG QUANG VA

VAN DE TOI UU TAI NGUYEN TRONG MANG CAU HINH RING

1.1 TONG QUAN VE PHAT TRIEN MANG TRUYEN TAI 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 công nghệ mạng IP và công nghệ mạng quang Hình I-I cho thay

mang truyền tải quang đa lớp đang dan được tô chức tôi ưu hơn, giảm thiêu

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 thê

thay mang IP/quang ngay cang tro nén thong minh hon, dap tng dong hon

theo nhu cầu như từ thiết lập kênh tĩnh đến điều khiển động, chuyển mạch

kênh (OCS) hay dén chuyén mach chum/goi quang (OBS/OPS) va ngay cang

được phát triển từ cầu trúc đơn giản như điểm-điểm, đến Ring, Ring lai Mesh

và tiến tới cầu trúc Mesh Với khả năng tích hợp và điều khiển động, mạng

quang WDM có thê cung cấp các luỗng dịch vụ băng tần lớn theo nhu cầu hay

các địch vụ tiên tiễn như mạng riêng ảo Tuy nhiên, việc phát triển tới kiến

trúc mạng động và Mesh hoàn toàn còn có nhiều thách thức về mặt công nghệ

cũng như triển khai thực tế

„

> Mới ‘ ATM|GbE

SONET tr SONET tr SONET

WDM+OXC WDM ) WDM pp

Hình 1-1: Xu hướng phát triển mạng quang theo hướng IP/quang

Phạm vi ứng dụng của công nghệ WIDM ngày cảng 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 the giới cũng như ở Việt Nam, mang quang hién duoc trién khai pho

biến với cầu hình Rimg Dưới sức ép của cạnh tranh, các nhà khai thác mạng

không muôn đầu tư quá nhiều vào hạ tang mạng và đồng thời cũng yêu câu

khi nâng cấp, phát triển mạng cần duy trì tính liên tục của cau tric mang Vi

vậy, các công nghệ quang mới phát triển cần kế thừa ưu điểm các công nghệ

đang dùng và tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có

THO! GIAN

4

1.1.2 Kiến trúc và công nghệ mang quang cấu hình Ring Mạng quang truyền tải dung lượng lớn và yêu cầu về chất lượng dịch vụ ngày cảng 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

có 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 còn 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 không 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 môi trường mạng lõi vùng đô thị Tuy nhiên, tính hiệu quả này còn phụ thuộc vào mâu lưu lượng, phương pháp thiết kế mạng và thuật toán 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 PHAN BO, SU DUNG TAI NGUYEN 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 mang truyền tải là lượng nhu cầu kết nôi được xác định từ các dịch vụ lớp trên can 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 voi 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 băng đơn vị Erlang Tập hợp các lưu lượng giữa các nút mạng cần xét thường được biêu diễn bằng một ma trận lưu lượng 1.2.1 Vị trí của phân bổ, sử dụng tài nguyên trong quản lý mang Tài nguyên mạng quang nói chung có thể ở nhiêu dạng khác nhau, phụ thuộc vào công nghệ và phạm vi nghiên cứu như: dung lượng hệ thống, băng thông, sợi và các thiết bị, thành phân Việc phân bỏ, 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:

e 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 Engimnering - TE) Mức này cĩ đặc trưng là: Đưa

luỗơng lưu lượng vào chỗ cĩ băng thơng và tài nguyên khả dụng

e Mức 2: Chức năng tối ưu hoạt động mạng (Network Enginnering - NE) cĩ

thời gian mức giờ đến ngày và cĩ đặc trưng là: Đặt, phân bổ băng thơng, tải

nguyên hiện cĩ vào chỗ cĩ lưu lượng và

e Mức 3: Chức năng qui hoạch mạng (Network Planning —NP) co thoi gian

mức tháng đến năm và cĩ đặc trưng: Đặt, phân bố băng thơng, tài nguyên

vào chỗ sẽ cĩ 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 cĩ 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 cơng bố về phân bổ tài nguyên

trong mạng quang cầu hình Ring

Hiện cĩ nhiều cách tiếp cận khác nhau về tối ưu sử dụng tài nguyên trong

thiết kế mạng quang WDMI cấu hình Ring phụ thuộc vào mục tiêu tối ưu và

các điều kiện cho trước khác nhau Tuy nhiên, vẫn chưa cĩ nghiên cứu về ảnh

hưởng đồng thời của yếu tơ 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

yêu tố một và cơ định các yếu tơ cịn lại, hoặc thực hiện tuân tự bằng cách chia

nhỏ bài tốn lớn thành hai bước và kết quả nĩi chung đạt được là tối ưu cục

bộ:

+ Bước I: Thiết kế topology cua 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 thiêu 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 thé, la

nghiên cứu về phương pháp thiết kế mạng quang WDM cau hinh Ring hai

huong theo cach tối ưu đồng thời topology và định tuyến cân bằng tải với hàm

mục tiêu tối thiểu tải hay tong chi phi

1.2.3 Hướng nghiên cứu của luận án về giải pháp nâng cao hiệu quả sử

dụng tài nguyên mạng quang cầu 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 uu to hợp và cĩ thê được mơ hình hĩa theo

qui hoạch tuyến tính nguyên (ILP) hoặc hỗn hợp (MLP) Để giải quyết các bài

tốn tơi ưu mạng, hiện cĩ nhiều phương pháp và thuật tốn tối ưu được sử

dụng như: I) Phương pháp heuristic; 2) Phương pháp qui hoạch tốn học; 3)

Các thuật tốn tìm kiếm metaheuristic; 4) Phân tích đồ thị Graph; 5) Phương pháp tơ hợp, lai các phương pháp trên

Việc lựa chọn các phương pháp nào rất quan trọng, phụ thuộc vào bài tốn

cu thé, kinh nghiệm và khả năng nhạy cảm đối với từng van 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 dé giai bai toan toi uu topology va định tuyến bao gồm:

1 Phương pháp heuristic: Theo cách tự nhiên, phương pháp nay bước đầu được sử dụng đề đánh giá sơ bộ theo kinh nghiệm về các giả định, bài tốn mới xây dựng và cũng cĩ thé áp dụng cho bài tốn mức ở qui mơ lớn sau khi cĩ sự khảo sát về mức độ gân 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 tơ ảnh hưởng đến kết quả của bải tốn

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG BÀI TỐN TĨI ƯU TOPOLOGY VÀ

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG QUANG WDM CẤU HÌNH RING

2.1 GIỚI THIỆU Bài tốn thiết kế mạng quang cầu 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 đồ thị và các kết quả nghiên cứu về thiết kế mạng quang cấu hình Ring theo phương pháp truyền thống Các thuật tốn và một số kết quả thiết kế mạng quang cầu hình Ring theo phương pháp truyền thống cũng được giới thiệu và được phân tích

đề thấy rõ được các yêu tổ ảnh hưởng đến kết quả của bài tốn 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 CÂU HÌNH RING

2.2.1 Mơ hình | mang truyén tai quang Mạng truyền tải quang cĩ qui mơ rất lớn và phức tạp, do đĩ được tơ chức theo mơ hình chồng phủ đa lớp mạng và mỗi lớp mạng lại được phân tích thành một số vùng vả 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 câp Các vùng hay mạng con cĩ 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 vảo của

ma trận lưu lượng của mạng lớp dưới và sau đĩ lưu lượng được định tuyến trên topolòy mạng lớp dưới

7 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 tuân tự Hình 2-3 minh họa các bước hay các bài toán 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 mang va bai toan cu thé ma ham muc

tiêu có thé là tối thiêu tổng chỉ phí mạng với các ràng buộc về chất lượng, kỹ

thuật xác định; hay tối thiêu 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

toán 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 toán con như mét bai

toán lớn hơn Nói chung cách này cho kết quả tốt hơn, nhưng phức tạp hơn và

khó áp dụng đối những bài toán có kích cỡ lớn, yêu cầu xử lý nhanh Tuy

nhiên, chúng cũng thường được sử dụng cho qui mô nhỏ hay đề khảo sát các

mô hình mới và đánh giá chính xác các thuật toán khi áp dụng trong phạm vi

nhỏ Xu hướng mạng truyền tải quang thông 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 cân giải quyết đồng thời

Ma trận lưu |[ Mô hình thiệt |[ Kiên trúc mạng

Phạm vi nghiên cứu

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 thảnh

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 toán điển hình là thiết kế hiệu quả mạng quang cầu hình Ring đơn

8 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 đẻ xuất bài toán 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 tông chỉ phí được thực hiện theo các bước tương ứng các bài toán con sau:

Bai toan 1 Trén co so ma tran tuyén kết nối cho trước C= {c¡}, xác định topology cua mang co cau hinh 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={d°\ cho trước

Bài toán 1 là tìm topology của Ring với mục tiêu thường là tổng chỉ phí/

cự ly giữa các nút tạo nên tuyến của Ring là nhỏ nhất Bài toán này có dạng bài toán người du lịch (TSP) hay tìm chu trình hamilton kinh điển Hiện có nhiều phương pháp giải theo mô hình ILP hay các thuật toán heuristic

Đôi với DPRing, bài toán 2 đễ dàng xác định theo nguyên tắc định tuyến

và phân bố bước sóng đơn giản là: mỗi một lưu lượng luỗng quang điểm - điểm sẽ sử dụng một bước sóng riêng trên toàn Ring Do đó, số bước sóng hay dung lượng tối thiêu cần thiết chính là tong 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 tôi thiêu 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 nay

2.2.4 Phân bố tài nguyên trong mạng quang cấu hinh Ring WDM hai hướng

2.2.4.1 Giới thiệu bài toán Trong mạng WDM khi không có bộ chuyển đổi bước sóng, bài toán này bao gồm 2 phân: định tuyến và phan bo/gan bước sóng -RWA Phân định tuyến (R) yêu câu xác định tuyến cho mỗi luồng lưu lượng quang và phần phân bô bước sóng (WA) thực hiện gán bước sóng cụ thê cho mỗi luồng lưu lượng sao cho trên môi chặng trên tuyên đường mà nó ổi qua không có 2 bước sóng trùng nhau, ràng buộc này còn gọi là tính liên tục của bước sóng Do vậy, bài toán trở lên phức tạp hơn và đã được chứng minh là loại NP-day du Dé tránh nhằm lẫn giữa tên gọi trong chức năng định tuyến, bài toán này cũng thường gọi là phân bổ tài nguyên hay băng thông mạng

Sứ dụng bộ chuyên đổi bước sóng làm tăng hiệu quả dung lượng của mạng nhưng sẽ làm tăng đáng kế chỉ phí của mạng Khi có chuyên đổi bước sóng, bài toán RWA chỉ còn phần định tuyến (R) và cũng là chủ đề rất được quan tâm của định tuyến trong Ring SDH có hoán đổi khe thời gian Tuỳ thuộc vào công nghệ và cách quản lý các luỗng khác nhau, mà có các cách định tuyến

khác nhau: Định tuyến có tách hay không cho tách lưu lượng trên Ring Lưu

lượng được định tuyến tách trên Ring khi luồng lưu lượng của nó được chia

làm hai phân 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 dé phan bo bang thong 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 toán định tuyến và gán bước sóng có thể được thực hiện trước khi thiết

lập cầu 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

toán 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 mô hình theo ILP và có thê sử dụng các kỹ thuật như nhánh-

cận, tạo cột, làm tròn để giải và cho kết quả tôi 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 toán gan hay phân bổ bước sóng cho các luồng lưu lượng đã định

tuyén (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 ĐIỚI, và của

tac gia da phat triển [6], [8] và qua các thử nghiệm cũng cho thấy kết quả tối

ưu trong hâu hết các trường hợp

2.2.4.2 Cain cua bai toan

Như đã nói ở trên trong trường hợp có chuyên đôi bước sóng thì bài toán

RWA chỉ còn phân định tuyến (R) Vì vậy, giới hạn lời giải của bài toán RWA

tối thiêu sẽ là cận dưới của bài toán khi có chuyên đổi bước sóng Cận dưới

của bài toán định tuyến theo lý thuyết Okamura-Seymour là kích cỡ của nhát

cắt cực đại MaxCut trên Ring Trong đó, kích cỡ nhất 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 phân

2.2.4.3 Phương pháp giải tuần tr

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 chuyên đổi bước sóng Để phục vụ cho phát

triển giải pháp ở chương 3, phan nay của chương đã phát biểu bài toán dưới

dạng các mô hình toán học theo ILP cả định tuyến tối ưu cân bằng tải có hoặc

không tách lưu lượng Các mô hình này có thê 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: Phan bé hay gán bước sóng Phân bô bước sóng là một trong những đặc trưng riêng của WDM Bài toán phân bổ bước sóng được xem là NP-day đủ, và có thê 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 toán nhỏ;

2 Các giải thuật Heuristic, theo đó sẽ có 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 Chăng hạn, trong lần thử với mạng Ring II nút, lưu lượng giữa các cặp nút theo phân bố đều giữa 0 và 5 kênh Kết quả trung bình về yêu cầu số bước sóng lớn nhất là 35 Trong 1000 phép thử, thuật toán phân bổ bước sóng chỉ cho kết quả không tối

ưu trong 5 bước sóng Tôn thất do thiêu bộ chuyển đổi bước sóng chỉ xấp xỉ: 5 bước sóng /(1000x35) = 0,01% Kết quả này cũng phù hợp với kết quả trên thé giới khi thực hiện giải tối ưu chính xác theo mô hình ILP cho bải toán RWA Thảo luận

Những phân tích trên đây chỉ ra rằng trong trường hợp ma trận lưu lượng biết trước, thì có thê phân bô luỗng 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 đối bước sóng rất nhỏ với các giải thuật hiệu quả Do đó cho phép thiết kế mạng Ring với chỉ phí thấp hơn Vì vậy, đây cũng là một cơ

sở để chương sau đưa ra giải pháp cho bài toán tích hợp trong phạm vĩ tối ưu topology với phân định tuyến (R), không bao gồm phần gan bước sóng (W) Một mặt để giảm tính phức tạp của bài toán tích hợp nếu đưa cả phân gán bước sóng, mặt khác bài toán sẽ có phạm vi áp dụng rộng hơn, tức là có thê á ap dụng cho cả các công nghệ Ring hai hướng khác mà không yêu cầu có phân gán tài nguyên hay bước sóng chắng hạn như trong mạng WDM có chuyên 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 BAI TOAN TOI UU TOPOLOGY VA DINH TUYEN RING QUANG HAI HUONG

2.3.1 Dat van dé Phuong phap va thuat toan thiết kế mạng Ring WDM hai hướng theo cách tiếp cận tuân tự cho thấy tổng chi phí của Ring bao gom chi phi tuyen va chi phí thiết bị Chi phí tuyến phụ thuộc vào tổng chu trình các tuyến kết nối tạo nên Ring, còn chỉ phí thiết bị phụ thuộc vào dung lượng đường truyền của thiết bị

Việc xác định topology của Ring thường thông qua giải bài toán dạng tìm chu trình Haminton nhỏ nhất (hay bài toán người du lịch - TSP) đi qua tất cả

II các nút có trọng số là chỉ phí hay cự ly của từng tuyến Đối với mạng có chỉ

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

dinh topology vat ly cho mang cau hinh SPRing cần tính đầy đủ đến cả hai chỉ

phí đường truyền và thiết bị Chi phí thiết bị phụ thuộc vào dung lượng yêu

cầu tối thiểu hay tải của Ring đề thỏa mãn ma trận lưu lượng Như giới thiệu ở

phân trên, ngoải 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 hoa luu 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 câu tối thiệu của Ring đề thỏa mãn ma trận lưu lượng D

Các tham số đầu vào Các tham số đầu ra

+

THIET KE TOPO

TSP (Ci)

v

DINH TUYEN (SPRing/ DPRing)

Phương pháp định O SANE

có không tách, = Tai cua Ring (Z)=3 lượng: Z=4

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 bải toán

thiết kế mạng quang cầu hình Ring hai hướng phụ thuộc nhiều vảo các yếu tố:

ma trận lưu lượng, topology và cách định tuyến Đến nay chưa có công trình

nào phân tích ảnh hưởng đồng thời của các yêu tố: chỉ phí đường truyền, lưu

lượng và phương pháp định tuyến đến kết quả thiết kế và cận dưới thực tế có

thê đạt được của cầu tric 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 toán

Bài toán này có thê được phát biểu dạng lời như sau: Tìm fopology của Ring

(xác định thứ tự kết nối các nút trên Ring) va định tuyến lưu lượng trên

topology Ring thỏa mãn hàm mục tiêu nhất định, là tôi thiểu tông lưu lượng

đi qua từng cạnh hoặc tôi thiểu tông chỉ phí tuyến và thiết bị

Bài toán được mô tả dưới dạng đồ thị như sau:

d Tách lưu lượng e Không tách lưu

12 Các đầu vào:

1 Gọi topology có thể kết nối của mạng là G„= (V, E,) là đồ thị vô hướng, trong đó V là tập N nút và E„ là tập các tuyến có trọng ci CÓ thể thiết lập giữa tập N nút thuộc V với N= |V| < 16 Trong đó cị > 0, tuyến kết nối giữa i,j khong ton tai thi Cj = 0

2 Ma trận lưu lượng D= {a}, có các phần tử đ'” > 0 và nguyên là lưu

lượng kết nối giữa cặp nút nguồn s và đích d: s, d= I N

Yêu cầu đầu ra của bài toán:

1 Xác định topology mạng cấu hình Ring G=(V, E,) hay thứ tự kết nối các nút tạo thành Ring (chu trình kín);

2 Xác định cách định tuyến từng lưu lượng trên G¡ sao cho thoả mãn ma

trận lưu lượng D và xác định dung lượng (hay tải) tuyến E¡ — là tổng lưu lượng được định tuyến đi qua E¡ Dung lượng của Ring là dung lượng cực

dai cua Ej

Muc tiéu:

Hàm mục tiêu tùy thuộc vào ứng dụng, chăng hạn tối thiểu:

+ Dung lượng cực đại trên các tuyến E¡ hay còn gọi là Tải của Ring; hoặc + Tổng chi phí bao gồm cả chỉ phí tuyến kết nối E¡ tạo thành Ring và chi phí theo dung lượng của Ring

Trong môi trường mạng Ring ảo, hàm mục tiêu thường được xét đến là tối

đa thông lượng, hay tối thiêu dung lượng cần để thỏa mãn lưu lượng cho trước

Bài toán này thuộc lớp NP-đâầy 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

CHUONG 3 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUÁ

SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG QUANG WDM

CÂU HÌNH RING

3.1 GIỚI THIỆU

soe Ke

topology va định tuyến tôi ưu trên mạng quang cấu hình Ring hai hướng với hàm mục tiêu về băng thông và tổng chỉ phí Cu thé:

Đề xuất I: Giải pháp heuristic theo cách tuần tự đó là téi uu 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 băng tải thông qua việc đề xuất các mô hình toán học theo qui hoạch tuyến tính nguyên [LP

Chương 4 sẽ giới thiệu kết quả mô phỏng đánh giá các giải pháp này

3.2 ĐÈ 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 bai

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 bô tài nguyên trên topology da 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 đôi 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

Nhập đầu vào

Thiết kế các Topo Ring tối ưu: TSP theo các

ham trong: (cj), (-d”), (c¡-kxC/Dạxd”)

Ỷ

[ Định tuyên và định cỡ dung lượng Ring |

Ỳ Tính tổng chỉ phí, phân tích giải pháp

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= {cj} — ma tran các chi phí đường truyền (hay

cự ly) và ma trận lưu lượng luéng quang D= {d"} Việc lựa chọn hàm trọng x

cần tính dén anh huong ca chi phi duong truyén cị và chỉ phí thiết bị tại các

nút hay cần tính đến yếu tổ tác động của lưu lượng dŸ lên dung lượng thiết bị

Giả sử giải bài toán TSP theo các hàm trọng x ta có tổng chu trình là

LETSP(x)= ÈXx¡¡.¡, với I=N, thì i+T trùng l, còn thứ tự các nút trong Ring

được xác định theo TSP(x) với biến là x Xét đến một số phương án hảm trọng

x được đề xuất:

e Phương án 1: Ham trong x= Si tương ứng lời giải TSP(c¡) có tông chỉ phí

đường truyền C; là nhỏ nhất và là phương án thường hay sử dụng trong thiết

kế truyền thống Gọi tông lưu lượng trên Ring là Do= Yd", thi C,/Dp 1a chi

phí đường truyên trung bình của một đơn vị lưu lượng;

e Phương án 2: Hàm trọng x= -dŸ tương ứng lời giải TSP(- -d!) {c6 thé str

dung TSP(1/d")} 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 kè), các cặp nút có lưu lượng nhỏ sẽ có số chặng lớn, từ đó có thê coi MaxCut là nhỏ nhất Trường hợp này không tính đến chỉ phí đường truyền c¡ khi xác định topology

® Phương an 2’: Ham trong x= d! tuong tmg 1di giải TSP(d") - day 1a truong

hop bat loi nhat cho SPRing: cap luu lugng co so luồng lớn sẽ có số chặng

lớn nhất, các cặp nút liền kề sẽ có lưu lượng nhỏ dẫn đến MaxCut là lớn

nhat- đây có thê coi là cận trên;

e Phương án 3: Hàm trọng x= cị -kx(C¡/Dạ)xd”, với k là hệ số chỉ mức độ

quan trọng của phân lưu lượng (chi phí thiết bị) so với chi phi đường truyền Với hàm trọng này, lời giải TSP(c¡- k x (C;/Do) x d!) sé bao gdm ca chi phi đường truyền và lợi ích từ các cạnh có luồng lớn và sẽ cải thiện hơn về mặt MaxCut cua phuong an 1 Voi k=0, thi TSP(x)= TSP(ij), C3=C, va Z3=Z);

voi k >>1, thi TSP(x)= TSP(-d!), C3=C) va Z3=Z); néu k<< -1, thi TSP(x)=

TSP(d'), C= Cy» va Z3= Zo

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 C¡ <€a <€C;vàZ¡ > Z4 > Z4

3.3 ĐÈ XUẤT MÔ HỈÌNH ILP ĐỀ GIẢI ĐÔNG THỜI BÀI TOÁN THIET KE TOPOLOGY VA DINH TUYEN

Phần này đề xuất cách giải đồng thời bài toán thiết kế topology và định tuyến tối ưu cân bằng tải có/không tách lưu lượng trong mạng Ring quang hai hướng bằng cách sử dụng mô hình toán học theo ILP có các modul tương ứng với các yêu cầu cần xác định vẻ: topology, định tuyến và hàm mục tiêu 3.3.1 Mô hình ILP cho bài toán thiết kế topology tích hợp với định tuyến tối ưu trong mạng Ring có tách lưu lượng

da Ràng buộc xác định topology Ring Vấn đề này có dạng của bài toán người du lịch (TSP) và có thê được mô hình bằng hệ các ràng buộc theo các cách khác nhau, cụ thể trong luận án sử dụng theo các ràng buộc sau:

Gọi xụ là biến lựa chọn tuyến giữa nút ¡, j = {1, 0}, xj= 1 néu cd tuyến kết nối giữa nút ¡ và j tạo lên cạnh của Ring, vả x¡=0 khi không có tuyến kết nối

giữa nút I và j

Hai ràng buộc này yêu cầu mỗi nút chỉ có 2 tuyến kết nói đến và đi

uj <N- 1 -(N- 2)* x13 voi V i> 2; (3-3) uj>1 + (N-2)* xy; voi Vi>2: (3-4) Hai ràng buộc này để loại khả năng tạo thành các Ring con

15

xij la cac biến nhị phân và u¡ là số các nút đã đi qua đến khi gặp nút ¡

b Rang buộc xác định cách định tuyển Cĩ tách lưu lượng trên Ring

Gọi £#, ¡ là phân lưu lượng giữa nguồn s và d định tuyến trên tuyến i, j : s,

đ,1,j=1 N

Rang buộc này cho phép định tuyến tách lưu lượng trên 2 hướng

3¡ Pj- Bị P,=0, với Vs,d.1= 1 N: s<d,1 #s,i #d (3-7)

yj Pụ- yj fi=d", v6i moi s, d, i= 1 N: s <d, s=i (3-8)

5, #4, P= a với V s, d.1= I N: s<d, d=i (3-9)

Đây là các ràng buộc về định tuyến của lưu lượng dẺ” trên các tuyến 1, ] VỚI Các

điều kiện bảo tồn 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)

Đây là ràng buộc lưu lượng d” được định tuyến trên link (¡, j) hay (J, ¡) đối

xứng

Gọi tơng dung lượng trên các tuyến i, j 1a Z;;, ta co:

Z i= Dea (£4 qth) voi Vi ji # J và s<d (3-11)

c Ham muc tiêu

Co thé xay dung nhiều hàm mục tiêu khác nhau như sau:

-_ Tối thiêu về mặt dung lượng tải trên cạnh Ring:

Đây là hàm mục tiêu tối thiêu dung lượng tải lớn nhất trên các cạnh nĩi nút ¡,

j

-_ Tối thiểu tổng chi phí tuyến:

Minimize {C = 3X ci * xi} (3-13)

Khi đĩ bài tốn trở về TSP(c¡) cơ điển và định tuyến tối ưu

- _ Tối đa lưu lượng trên các cạnh liền kề của Ring theo TSP(-d"):

Đây chính là cách giải Heuristic theo phuong an 2 đã được để xuất ở phan

“3.2.1 Phương pháp hàm trọng”

- Tối thiêu hàm đa mục tiêu gồm cả chỉ phí tuyến và chi phí theo dung

lượng:

Trong do œ là chi phi cho một đơn vị băng thơng của Ring Tuy nhiên, cần cĩ

giá trị phù hợp tương đối với chỉ phí cụ Nếu cụ nhỏ hay bằng 0 thì (3-15) trở

thành (3-13), cịn cụ đủ lớn so với cị thì (3-15) trở thành (3-12) Néu cy <<1

thi (3-15) tro thanh (3-14)

Bài tốn trên thuộc loại [LP vì cĩ các ràng buộc và hàm mục tiêu tuyến

tính, và cĩ các biến nhị phân, nguyên Bài tốn TSP cĩ ràng buộc từ (3-1 đến

16 3-5) là thuộc loại NP- day đủ, do đĩ bài tốn (3- 15) với các ràng buộc (3-1) đến (3-11) cũng là thuộc loại NP- “đây đủ Khơng gian lời giải của bài tốn phụ thuộc vào tơng số các biến Xụ, fi ; VOI cac phan tử a #0 và các hệ phương trình ràng buộc Tuy nhiên, do số nút trong thực tế triển khai là nhỏ và số lưu lượng đ'” z0 khơng nhiều, do đĩ cĩ thể giải trực tiếp bài tốn này băng giải thuật Nhánh-Cận trong thời gian cho phép

Bài tốn (3-12) với các ràng buộc (3-1) đến (3-11) cĩ hàm mục tiêu là tối thiêu về mặt dung lượng tải, phù hợp với mơi trường mạng MAN, trong đĩ cĩ chi phi thiết bị chiếm ti trọng lớn hơn nhiều chỉ phí tuyến, hoặc trong khi thiết lap mang Ring ao trén mang WDM

3.3.2 Mơ hình ILP cho bài tốn thiết kế topology tích hợp với định tuyến tối ưu trong mạng Ring khơng tách nhu cầu lưu lượng

Tương tự như mơ hình ILP trên điểm khác biệt chủ yếu của mơ hình nay

là các ràng buộc vẻ định tuyến cĩ tách lưu lượng Do đĩ, ta cũng cĩ các hàm mục tiêu và ràng buộc về xác định topolòy như mơ hình trên, ngoại trừ ràng

buộc về định tuyến khơng tách lưu lượng

a Ham muc tiéu

Cĩ thể chọn một trong các hàm mục tiêu như (3-12), (3-13), (3-14) và (3-15)

b Ràng buộc về xác định fopology Các ràng buộc tương tự như (3-1) đến (3-5)

c Rang buộc xúc định cách định tuyến khơng tách lưu lượng trên Ring

Rang buộc nảy thê hiện trên tuyến ¡, j cĩ hoặc khơng cĩ luỗng đ°” đi qua, tức

là khơng cho phép định tuyến tách lưu lượng trên 2 hướng Ring

yf - Dj f= 0, voi Vs, d,i=1 N: s<d,i #s,i #d (3-17)

2 P9 - 2 fii = 1, với V 5, d, 1=1 N: s<d, S=I (3-18)

3 Đọc - tụ =-1, voi V s, d,i=1 N: s<d, d=i (3-19) (sy + xị )> fi, voi Vi,j,s,d=1 N:s<d, iFj (3-20)

Các ràng buộc (3-17) đến (3-21) cũng cĩ ý nghĩa tương tự như ràng buộc (3-7) đến (3-1 1) tương ứng

CHUONG 4 MO PHONG GIAI BAI TOAN TOI UU TOPOLOGY

VA DINH TUYEN TRONG MANG QUANG CAU HINH RING

4.1 GIỚI THIỆU

Để đánh giá kiêm 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 đĩ xác định miền áp dụng;

+ Khảo sát một số nhân tố ảnh hưởng đến kết quả bài tốn

4.2 THIET LAP MO PHONG

Str dung cac gia dinh, thiét lap va tinh toan cac tham s6 danh gia tuong tu

như các kết quả đã thực hiện trên thế giới về tối ưu topology cấu hình Ring hai

hướng Cụ thê như sau:

a Tham số đầu vào cho mỗi mẫu:

e Ma trận lưu lượng D= (d và ma trận chỉ phí tuyên C= {c¡} đều cĩ mẫu

dạng lưới ngâu nhiên với mỗi phần tử cĩ giá trị ngẫu nhiên theo phân bố

đều từ 0 — 16;

Số lượng mẫu mơ phỏng được thực hiện:

e_ Để giảm sự thăng giáng của các kết quả mơ 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 cĩ 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

Cách thực hiện mơ phỏng:

Đề 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 dé giai cho kết quả chính xác, cụ thé

la:

1 Mơ hình ILP cho bài tốn giải đồng thời tối wu topology va dinh tuyén cĩ

tách lưu lượng và khơng tách lưu lượng, theo hàm mục tiéu (3-12) va các

hệ phương trình ràng buộc tương ứng

2 Mơ hình ILP cho bài tĩan TSP theo các hàm trọng Cụ và —dŸ 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 tốn định tuyến tối ưu cân bằng tải cĩ tách và

khơng tách lưu lượng như đã giới thiệu trong mục 2.2.4.3 chương 2;

e©_ Sử dụng ngơn ngữ AMPL để mã hĩa các mơ hình trên Sử dụng bộ cơng

cụ thương mại Cplex 9.0 và phần mềm khơng thương mại Scip với giải

thuật nhánh — cận đề giải tối ưu các mơ hình ILP trên và tính tốn so sánh

giữa các giải pháp

e_ Mơi trường mơ phĩng: Pentium IV, 3 Ghz, Windows XP II

e_ Để so sánh với các mơ hình mơ phỏng tương tự trên thế giới, hàm mục tiêu toi thiêu băng thơng cực đại hay tải của Ring được áp dụng Với mỗi mẫu lưu lượng, thực hiện theo 3 phương an sau:

1 Phương án 1: Giải pháp tích hợp tối ưu topology và định tuyến tối ưu cĩ 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 topoloey Ring tối ưu với các hàm trọng tối đa tổng lưu lượng giữa các cạnh liên kề theo hàm mục tiêu (3-14); rồi định tuyến tối ưu cân bằng tải

cĩ tách và khơng tách lưu lượng trên topology đã xác định;

3 Phương án 3: topolòy của Ring được xác định theo thứ tự ngẫu nhiên, rồi định tuyến tối ưu cân bằng tải tương ứng cĩ tách và khơng tách lưu

lượng

e_ Các giá trị dung lượng hay tải của Ring và tơng chỉ phí của mỗi phương án được tính tốn và so sánh cho mỗi mẫu mơ phỏng

e 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 cơng thức sau:

+ So sánh giữa phương án Ì so với phương án 2 :

Voi Zo, Zyla gia tri tal cua Ring tuong tng voi phuong an | va 2

+ Giữa phương án | so voi phuong an 3:

Trong đĩ Zo, Zạ là | gia trị tải của Ring tương, ứng với phương án | va 3

° Tương ứng với mơi loại Ring cĩ sơ nút nhất định, thực hiện tính tốn các giá trị thống kê trên số mẫu mơ phỏng đề so sánh và đánh giá, bao gồm các thơng số sau: Giá trị trung bình của thời gian giải mơ hình ILP băng giải thuật nhánh- cận cho kết quả tối ưu chính xác của phương an 1; Gia tri trung bình PI(%); Khoảng tin cậy CI(⁄6) của giá trị trung bình PI(%) với

độ tin cậy 95%; Tân suất xuất hiện (%) tương ứng với mot dai PI(%) nhat định là tỷ số giữa số mẫu cĩ PI(%) thuộc dải đĩ trên tổng số mẫu mơ phỏng

4.3 KET QUA MO PHONG TOI UU TOPOLOGY VOI DINH TUYEN

CO TACH NHU CAU

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 cĩ điều kiện tiếp cận Cplex, chúng tơi cũng thử nghiệm giải bài tốn trên phần mềm khơng thương mại Scip và sau này khi cĩ 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 đơ thị về giá trị trung bình của thời gian tính tốn

và PI(%) giữa các phương án Ï với phương án 2 và phương án Ì với phương