ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - BK TP.HCM LƯU NGỌC ĐIỆP ĐỊNH TUYẾN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ Mà SỐ NGÀNH : 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2003 Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : LƯU NGỌC ĐIỆP Ngày, tháng, năm sinh : 27/06/1977 Giang Chuyên ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử Phái: Nữ Nơi sinh: tỉnh Kiên Mã số: 2.07.01 TÊN ĐỀ TÀI : ĐỊNH TUYẾN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : Giải vấn đề định tuyến bước sóng mạng ghép kênh theo bước sóng với mô hình lưu lượng gọi scheduled traffic Ngoài ra, đề tài thực toán gán bước sóng cho yêu cầu lưu lượng mạng WDM Multihop với định tuyến sử dụng lại bước sóng III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ đề cương) : 19/11/2002 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ luận án tốt nghiệp) : 10/06/2003 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm học vị) : TIẾN SĨ PHẠM HỒNG LIÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NGHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH (Ký tên ghi rõ họ, tên, học hàm học vị) Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH tháng năm KHOA QUẢN LÝ NGÀNH Lời Cảm Ơn " Xin chân thành cảm ơn cô Phạm Hồng Liên tận tâm hướng dẫn, bảo em nhiều thời gian qua để em hoàn tất Luận Án " Xin chân thành cảm ơn thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa tận tình dạy dỗ em suốt năm học qua, đặc biệt thầy cô thuộc Bộ Môn Điện Tử – Viễn Thông " Xin cảm ơn tất bạn nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để thực Luận Án này, quan tâm bạn nguồn động viên lớn giúp vượt qua khó khăn " Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cha mẹ anh chị gia đình Abstract This thesis focuses on solving the problem of routing and wavelength assignment in WDM Optical Transport Network In order to maximize the utilization of resources, wavelength channels are reused by several lightpaths that not overlap in time Besides we will use the same wavelengths for lightpaths that not share any common link From the above point of view, the thesis consists of following parts : Part : General Theory about Optical Communication System : Introduction to Optical Networks Introduction to DWDM Propagation of Signals in Optical Fiber Components Part : Technology of DWDM Network : WDM Network Elements Multilevel Optical Network Routing and Wavelength Assignment in WDM Network ¾ Routing and wavelength assignment of scheduled lightpath demands in a WDM Optical Transport Network ¾ Wavelength assignment for Multihop wavelength routing and wavelength reuse Part : The Results of Simulation WDM Networks with Lời Mở Đầu Truyền thông quang trở thành kỹ thuật hấp dẫn hệ thống thông tin ngày Ngoài việc cung cấp băng thông lớn với tỉ lệ lỗi thấp, môi trường quang mang lại tính suốt Nhiều kỹ thuật ghép kênh đời để tận dụng băng thông môi trường truyền Trong đó, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) chiếm ưu hẳn Đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề định tuyến bước sóng mạng WDM Chương trình mô thực định tuyến gán bước sóng cho yêu cầu thiết lập lightpath với lớp lưu lượng có xét đến yếu tố thời gian gọi scheduled traffic Nhằm tận dụng tối đa nguồn tài nguyên mạng, ta sử dụng lại kênh bước sóng cho nhiều lightpath tồn khoảng thời gian không chồng lấp Đề tài bao gồm phần sau: Phần 1: Lý Thuyết Tổng Quan Về Hệ Thống Thông Tin Quang Giới thiệu mạng thông tin quang Giới thiệu mạng ghép kênh đa bước sóng Truyền tín hiệu sợi quang Các thành phần hệ thống thông tin quang Phần 2: Kỹ Thuật Mạng Ghép Kênh Đa Bước Sóng Các phần tử mạng WDM Mạng quang đa cấp Định tuyến gán bước sóng mạng WDM Phần 3: Kết Quả Mô Phỏng Và Hướng Phát Triển Đề Tài Giới thiệu chương trình mô Hướng phát triển đề tài Vì thời gian có hạn lần thực hiện, đề tài không tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp dẫn cuả quý thầy cô bạn MỤC LỤC Đề Mục PHẦN I QUANG Trang LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN CHƯƠNG GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN QUANG 1 Các mạng quang Mạng quang hệ thứ hai Tính suốt mạng toàn quang Chuyển mạch gói quang Các vấn đề truyền dẫn 5.1 Bước sóng, Tần số, Khoảng cách kênh 5.2 Các tiêu chuẩn bước sóng 5.3 Công suất quang mát CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ MẠNG GHÉP KÊNH ĐA BƯỚC SÓNG 13 Các kỹ thuật dùng mạng MAN Những nhu cầu mạng vùng rộng DWDM CHƯƠNG TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG SI QUANG 21 Sự truyền ánh sáng sợi quang Cấu trúc số sợi quang Phân tích ảnh hưởng sợi quang 3.1 Suy hao sợi quang băng thông 3.2 Tán sắc sợi 3.3 Các ảnh hưởng phi tuyến CHƯƠNG CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 28 Các ghép (Couplers) Bộ cách ly (isolators) truyền (circulator) Nguồn phát quang 3.1 LASER 3.2 LED Tách sóng quang Các khuếch đại quang 5.1 EDFA 5.2 SOA 9 10 11 16 19 21 23 23 23 25 25 28 29 30 31 34 34 35 36 37 Các ghép kênh lọc Các chuyển mạch 7.1 Các phần tử kết nối chéo sợi 7.2 Bộ định tuyến bước sóng không cấu hình lại 7.3 Bộ định tuyến bước sóng cấu hình lại (WXC) 7.4 Chuyển mạch gói photonic Bộ chuyển đổi bước sóng 8.1 Chuyển đổi bước sóng quang-điện 8.2 Chuyển đổi bước sóng toàn quang 38 40 42 44 44 45 45 47 47 PHẦN II KỸ THUẬT MẠNG GHÉP KÊNH ĐA BƯỚC SÓNG CHƯƠNG CÁC PHẦN TỬ MẠNG WDM 49 Thiết bị đầu cuối (OLT) Bộ khuếch đại quang Bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADM) 3.1 Các kiến trúc OADM 3.2 Các OADM cấu hình lại Bộ kết nối chéo quang (OXC) CHƯƠNG MẠNG QUANG ĐA CẤP 71 Mạng đa truy cập phân chia bước sóng Mạng single-hop 2.1 Đặc điểm mạng single-hop 2.2 Mạng quảng bá WDMA Mạng multihop Mạng mạng Mạng mạng hình Mạng tuyến tính có thứ bậc Kết hợp dạng kết nối single-hop multihop mạng quang đa cấp CHƯƠNG ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 87 Giới thiệu Định tuyến bước sóng Sự thiết lập đường ảo Chuyển đổi bước sóng Định tuyến gán bước sóng cho yêu cầu thiết lập lightpath theo thời gian 5.1 Giới thiệu 51 52 53 54 59 62 71 72 72 73 77 78 79 81 83 87 89 92 93 96 96 5.2 Mô tả toán 5.3 Mô hình toán học Giải thuật gán bước sóng cho mạng WDM Multihop với định tuyến bước sóng sử dụng lại bước sóng 6.1 Giới thiệu 6.2 Kiến trúc mạng 6.3 Bài toán gán bước sóng 6.3.1 Công thức toán học 6.3.2 Giải thuật gán bước sóng 97 99 102 102 103 105 106 109 PHẦN III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 111 CHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 126 CÁC TỪ VIẾT TẮT - ATM: Asynchronous Transfer Mode – Phương thức truyền dẫn bất đồng - ANSI:American International Standards Institute – Viện tiêu chuẩn quốc gia mỹ - BoD: Bandwidth on Demand – Băng thông theo nhu cầu - CDM: Code Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia mã - DEMUX: Demultiplexer – Bộ phân kênh - DFG: Difference Frequency Generation – Phát sinh tần số sai phân - DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia đa bước sóng - EDF: Erbium Doped Fiber - EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier - FCC: Federal Communications Commission - Ủy Ban Truyền Thông Liên Bang Mỹ - FDDI: Fiber Distributed Data Interface – Giao diện liệu phân bố quang - FT: Fixed Transmitter – Bộ phát cốđịnh bước sóng - FR: Fixed Receiver – Bộ thu cố định bước sóng - FWM: Four Wave Mixing - Trộn bốn bước sóng - GMPLS: General Multi-Protocol Label Switching – Chuyển mạch nhãn đa nghi thức - ITU:International Telecommunication Union - Liên Minh Viễn Thông Quốc Tế - LAN: Local Area Network – Mạng nội boä - LASER: Light Amplification by Stimulated Emission Radiation – Khuếch đại ánh sáng xạ kích thích - LED: Light Emitting Diode – Diot phaùt quang - MAN: Metropolitan Area Network – Mạng trung tâm - MON: Multilevel Optical Network – Mạng quang đa cấp - MUX: Multiplexer – Bộ ghép kênh - NIU: Network Interface Unit – Đơn vị giao tiếp mạng - OADM: Optical Add/Drop multiplexer – Bộ ghép kênh xen/rớt quang - OLT: Optical Line Terminal – Thiết bị đầu cuối quang - OTN: Optical Transport Network – Mạng truyền tải quang - OVPN: Optical Virtual Private Network – Mạng riêng ảo quang - OXC: Optical Cross Connect – Bộ kết nối chéo quang - SBS: Stimulated Brillouin Scattering - Khuếch tán tích luỹ Brillouin - SDH: Synchronous Digital Hierarchy – Hệ phân cấp số đồng - SOA: Semiconductor Optical Amplifier – Bộ khuếch đại quang bán dẫn - SONET: Synchronous Optical Network – Mạng quang đồng - SPM: Self Phase Modulation – Tự điều chế pha - SRS: Stimulated Raman Scattering – Khuếch tán tích luỹ Raman - TDM: Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gian LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Những lightpaths gán bước sóng λ1 Chú thích: Những đường đứt nét thể lightpath mang bước sóng λ1 Mỗi lightpath kết thúc dấu mũi tên Những màu khác sử dụng để ta tránh nhầm lẫn lightpath với Ví dụ, lightpath theo đường 21-20-19-18 mang màu hồng Lightpath 20-21-22-8 mang màu cam Ta giả sử có hai sợi quang truyền liệu theo hai hướng ngược đoạn truyền dẫn Do vậy, nút 16 nút 17, ta thấy có hai lightpath theo hai hướng ngược mang bước sóng λ1 HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 114 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Những lightpaths gán bước sóng λ2 Những lightpaths gán bước sóng λ3 HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 115 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Những lightpaths gán bước sóng λ4 Những lightpaths gán bước sóng λ5 B HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 116 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Những lightpaths gán bước sóng λ6 Những lightpaths gán bước sóng λ7 B HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 117 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Những lightpaths gán bước sóng λ8 Những lightpaths gán bước sóng λ9 B HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 118 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Những lightpaths gán bước sóng λ10 Những lightpaths gán bước sóng λ11 HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 119 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Những lightpaths gán bước sóng λ12 Những lightpaths gán bước sóng λ13 HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 120 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Những lightpaths gán bước sóng λ14 Những lightpaths gán bước sóng λ15 HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 121 LUẬN ÁN CAO HỌC ™ Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Nhận xét kết phần 1: - Giải thuật thực gán bước sóng cho λi có số từ thấp đến cao Do vậy, bước sóng gán λ1, sau đến λ2, λ3, v.v - Ta thấy bước sóng λ1 gán cho nhiều yêu cầu kết nối nhất, đến λ2, λ3 … Càng sau, số yêu cầu không trùng đường Do vậy, lightpath gán cho λi có số lớn giảm - Chương trình dừng lại mạng thực, cố định, yêu cầu lưu lượng cố định Mục đích người thực nhằm giới thiệu phương pháp gán bước sóng để gán số hữu hạn bước sóng trạm mạng với cách hiệu HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 122 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Phần - Giao diện cửa sổ cho phép người sử dụng nhập vào đồ thị kết nối bất kỳ, chiều dài đường xác định Mỗi điểm đồ thị tương ứng nút mạng Người sử dụng nhập vào yêu cầu thiết lập lightpath, bao gồm điểm đầu, điểm cuối, thời gian thiết lập kết thúc kết nối Chương trình thực định tuyến gán bước sóng cho yêu cầu a Mô hình: Bắt đầu Xây dựng chương trình cách thiết lập thông số sau: - Bản đồ đường (Map) - Các yêu cầu (Requests) - - - Dựa vào Map Requests, tìm k đường ngắn cho request Tạo Solution cách tổ hợp đường Request (mỗi solution lấy request route) Tính wavelength channels (C) cho solution Sắp xếp Solution theo thứ tự từ nhỏ đến lớn dựa vào giá trị C => Solution chọn có C nhỏ : best solution Gán màu cho solution chọn Kết quả: Solution chọn Kết thúc HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 123 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình b Lưu đồ giải thuật: Sơ đồ giải thuật chương trình START Nhập thông số - Bản đồ đường (Map) - Các yêu cầu (Requests) Khối xử lý Hiện kết mô THOÁT N Y END HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 124 LUẬN ÁN CAO HỌC ™ Chương 8: Giới Thiệu Chương Trình Nhận xét kết phần 2: - Giải thuật thực định tuyến gán bước sóng cho yêu cầu thiết lập lightpath với mô hình lưu lượng - scheduled traffic Chương trình viết trường hợp tổng quát, người sử dụng đưa cấu trúc mạng yêu cầu định tuyến tuỳ ý Số bước sóng sử dụng mạng tối ưu HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 125 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 9: Hướng Phát Triển Của Đề Tài CHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Bài toán gán bước sóng phần thực mô hình thực, cố định nhằm giới thiệu phương pháp gán bước sóng mạng multihop Giai đoạn đưa lên giao diện từ kết gán thực thủ công Do vậy, giải toán trường hợp tổng quát cho ta kết tốt Trong trường hợp lưu lượng thay đổi, mục đích giảm thiểu xác suất tắc nghẽn xảy mạng Do vậy, kết hợp toán gán bước sóng với phương pháp điều khiển gọi mạng cho xác suất tắc nghẽn nhỏ mang lại ý nghóa thực tiễn HVTH: LƯU NGOC ĐIỆP 126 LUẬN ÁN CAO HỌC Phụ Lục Phần PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Rajiv Ramaswami and Kuma N.Sivarajan, Optical Networks, Morgan Kaufmann Publisher, 2002 Biswanath Mukherjee, Optical Communication Networks, McGraw-Hill Book Company, 1997 Denis J.G Mestdagh, Fundamentals of Multiaccess Optical Fiber Networks AndreaBorella, Giovanni Cancellieri and Franco Chiaraluce, Wavelength Division Multiple Access Optical Networks J Kuri, N Puech, M Gagnaire and E Dotaro, “Routing and Wavelength Assignment of Scheduled Lightpath Demands in a WDM Optical Transport Network” Zhensheng Zhang and Anthony Acampora, “A Wavelength Assignment Algorithm for Multihop WDM Network with Wavelength Routing and Wavelength Reuse” Prabhulaiah Bijja, “Wavelength Assignment in All-Optical Networks for Mesh Topologies” Osman Basbugoglu, “Distributed Routing and Wavelength Assignment in WDM Networks” HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP LUẬN ÁN CAO HỌC Phụ Lục Phần PHỤ LỤC LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ¾ Họ tên : LƯU NGỌC ĐIỆP Giới tính : Nữ ¾ Ngày, tháng năm sinh : 27 - 06 –1977 ¾ Nơi sinh : Rạch Giá, Kiên Giang ¾ Địa liên lạc : 167/5 Trần Kế Xương, P.7, Q.Phú Nhuận, Tp.Hồ Chí Minh QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO ¾ 1994 -1999 : Học đại học trường đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, chuyên ngành Viễn thông ¾ 2000 – 2003 : Học cao học trường đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, chuyên ngành Kỹ thuật Vô tuyến- Điện tử QÚA TRÌNH CÔNG TÁC ¾ 1999 – 09/2002 : Công tác Doanh Nghiệp tư nhân Tường Minh HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP ... dụng với cách ghép nhiều kênh đường truyền Kỹ thuật ghép kênh quan tâm ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) ghép kênh phân chia thời gian (TDM) Trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng ưa chuộng... CAO HỌC Bước Sóng (DWDM) Chương 2: Giới Thiệu Mạng Ghép Kênh Đa CHƯƠNG GIỚI THIỆU MẠNG GHÉP KÊNH ĐA BƯỚC SÓNG (DWDM) Những mạng quang dùng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) tin mạng hệ... Vô Tuyến Điện Tử Phái: Nữ Nơi sinh: tỉnh Kiên Mã số: 2.07.01 TÊN ĐỀ TÀI : ĐỊNH TUYẾN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : Giải vấn đề định tuyến bước sóng