HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
*********************
Vũ Hoàng Sơn

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG
TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG QUANG WDM
CẤU HÌNH RING
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 62.52.70.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT


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 công nghệ quang nói chung và
công 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 khôi ph
ục
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 v
ề 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 thiế
t 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 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 c

đây theo cách tuần tự truyền thống. Các kết quả này có thể áp dụng cho quá
trình thiết kế mạng Ring quang trong môi trường mạng đô thị.
Hướng nghiên cứu này cũng có thể được phát triển cho các cấu hình khác
và cũng phù hợ
p 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 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 thông nói chung và thông 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 mạ
ng 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 truy
ền 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


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 mạ
ng
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 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. 4
1.1.2 Kiến trúc và công 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/ b
ăng 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 ch
ế 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.

mức độ cơ b
ản theo thời gian: 5
• 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 thông và tài nguyên khả dụng.
• Mức 2: Chức năng tối ưu hoạt động mạng (Network Enginnering - NE) có
thời gian m
ức giờ đến ngày và có đặc trưng là: Đặt, phân bổ băng thông, tài
nguyên 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 thông, tài nguyên
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 h
ợp 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

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 toán mức ở qui mô 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 mô mạng nhất định và cho
thấy rõ các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của bài toán.

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU TOPOLOGY VÀ
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG QUANG WDM CẤU HÌNH RING
2.1 GIỚI THIỆU
Bài toán 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 xuấ
t ở chương sau.
2.2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠNG QUANG CẤU HÌNH RING
2.2.1 Mô hình mạng truyền tải quang
Mạng truyền tải quang có qui mô rất lớn và phức tạp, do đó được tổ chức
theo mô 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 hi
ện theo cách: mạng lớp trên

ải 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 cần giải quyết đồng thời.

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 toán điển hình là thiết kế hiệu quả mạng quang cấu hình Ring đơn.
Phân tích giải pháp
Định tuyến và Định cỡ
Thông tin đầu vào
Thiết kế topology
Ma trận lưu
lượng

ij
}, 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={d
sd
} 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 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.
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 b
ước sóng riêng trên toàn 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 Giớ
i thiệu bài toán
Trong mạng WDM khi không có bộ chuyển đổi bước sóng, bài toán 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 không có 2 bước

cận, 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 toán 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 phứ
c 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 h
ết các trường hợp.
2.2.4.2 Cận của bài toán
Như đã nói ở trên trong trường hợp có chuyển đổi bước sóng thì bài toán
RWA chỉ còn phần định tuyến (R). Vì vậy, giới hạn lời giải của bài toán RWA
tối thiểu sẽ là cận dưới của bài toán khi có chuyển 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 nhát cắt được đị
nh 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 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 thể được sử dụng để giải cho kết

cho phép thiết kế mạng Ring với chi phí thấp hơn. Vì vậy, đây cũng là một cơ
sở để chương sau đưa ra gi
ải pháp cho bài toán tích hợp trong phạm vi tối ưu
topology với phần định tuyến (R), không bao gồm phần gán bước sóng (W).
Một mặt để giảm tính phức tạp của bài toán tích hợp nếu đưa cả phần gán
bước sóng, mặt khác bài toán sẽ có phạm vi áp dụng rộng hơn, tức là có thể áp
dụng cho cả các công nghệ Ring hai hướng khác mà không yêu cầu có phần
gán tài nguyên hay bước sóng chẳng hạn như trong mạng WDM có chuyển đổi
bước sóng. Tiế
p 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, còn chi phí thiết bị ph
ụ 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 11
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

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 thự
c 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 toán
Bài toán 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 t
ừng cạnh hoặc tối thiểu tổng chi phí tuyến và thiết bị.
Bài toán được mô tả dưới dạng đồ thị như sau:
e. Không tách lưu
lượng: Z=4
Các tham số đầu ra
D={d
s
d
}
Phương pháp định
tuyến: cân bằng tải,
có/ không tách,…
Mô hình chi phí
Tổng chi phí: TC =
Σ
x
ij
*c
ij
+ c

d
+
s
d
=3
E
A
B
D
C
2
2
2
2
C={c
ij
}
a. MaxCut = 10
C
A
D
E
B
2
2
2
4
2
d
s

2
x
ij
=1
2
TÍNH TOÁN,
SO SÁNH 12
Các đầu vào:
1. Gọi topology có thể kết nối của mạng là G
o
= (V, E
o
) là đồ thị vô hướng,
trong đó V là tập N nút và E
o
là tập các tuyến có trọng c
ij
có thể thiết lập
giữa tập N nút thuộc V với N= |V| ≤ 16. Trong đó c
ij
≥ 0, tuyến kết nối
giữa i,j không tồn tại thì c
ij
= ∞
2. Ma trận lưu lượng D = {d
sd
}, có các phần tử d

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 thiểu dung lượng cần để thỏa mãn lưu lượng cho
trước.
Bài toán 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.

CHƯƠNG 3. XÂY D
ỰNG 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 thông 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 củ
a 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 mô hình toán học theo qui hoạch tuyến
tính nguyên ILP. 13
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

cự ly) và ma trận lưu lượng luồng quang D= {d
ij
}. Việc lựa chọn hàm trọng x
cần tính đến ảnh hưởng cả chi phí đường truyền c
ij
và chi phí thiết bị tại các
nút hay cần tính đến yếu tố tác động của lưu lượng d
ij
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)= ∑x
i,i+1
, với i=N, thì i+1 trùng 1, còn 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= c
ij
tương ứng lời giải TSP(c
ij
) có tổng chi phí
đường truyền C
1
là nhỏ nhất và là phương án thường hay sử dụng trong thiết
kế truyền thống. Gọi tổng lưu lượng trên Ring là D
0
= ∑d
ij
, thì C
1
/D

tương ứng lời giải TSP(-d
ij
) {có thể sử
dụng TSP(1/d
ij
)} 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 không tính đến chi phí đường truyền c
ij
khi xác định
topology.
• Phương án 2’: Hàm trọng x= d
ij
tương ứng lời giải TSP(d
ij
) - 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= c
ij
-k×(C
1
/D
0
)×d
ij
, với k là hệ số chỉ mức độ
quan trọng của phần lưu lượng (chi phí thiết bị) so với chi phí đường truyền.

3
=Z
2
; nếu k<< -1, thì TSP(x)=
TSP(d
ij
), C
3
=C
2’
và Z
3
=Z
2’
.
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
1
≤ C
3
≤ C
2
và

Z
1
≥ Z
3
≥ Z

Σ
j
x
ij
=1, với ∀ j = 1, , N
(3-2)
Hai ràng buộc này yêu cầu mỗi nút chỉ có 2 tuyến kết nối đến và đi.
u
i
≤ N - 1 - (N- 2)* x
1i
; với ∀ i ≥ 2;
(3-3)
u
i
≥ 1 + (N - 2) * x
i1
; với ∀ i ≥ 2;
(3-4)
Hai ràng buộc này để loại khả năng tạo thành các Ring con. 15
x
ij
∈ {0,1}, u
i
≥ 0 cho ∀ i, j = 1, , N;
(3-5)
x

Σ
j
f
sd
ij
- Σ
j
f
sd
ji
= d
sd
, với mọi s, d, i = 1 N: s <d, s=i
(3-8)
Σ
j
f
sd
ij
- Σ
j
f
sd
ji
= -d
sd
, với ∀ s, d, i = 1 N: s <d, d=i
(3-9)
Đây là các ràng buộc về định tuyến của lưu lượng d
sd

sd
ji
) , với ∀ i, j: i ≠ j và s <d
(3-11)
c. Hàm mục tiêu
Có thể xây dựng nhiều hàm mục tiêu khác nhau như sau:
- Tối thiểu về mặt dung lượng tải trên cạnh Ring:
Minimize {maximize (Z
ij
)}, với ∀ i, j
(3-12)
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:
Minimize {C = Σ
ij
c
ij
* x
ij
}
(3-13)
Khi đó bài toán trở về TSP(c
ij
) cổ điển và định tuyến tối ưu.
- Tối đa lưu lượng trên các cạnh liền kề của Ring theo TSP(-d
ij
):
Minimize {Z = Σ
ij

nhỏ hay bằng 0 thì (3-15) trở
thành (3-13), còn c
b
đủ lớn so với c
ij
thì (3-15) trở thành (3-12). Nếu c
b
<<-1
thì (3-15) trở thành (3-14).
Bài toán trên thuộc loại ILP vì có các ràng buộc và hàm mục tiêu tuyến
tính, và có các biến nhị phân, nguyên. Bài toán TSP có ràng buộc từ (3-1 đến 16
3-5) là thuộc loại NP-đầy đủ, do đó bài toán (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 x
ij
, f
sd
ij
với các phần tử d
sd
≠0 và các hệ phương
trình ràng buộc. Tuy nhiên, do số nút trong thực tế triển khai là nhỏ và số lưu
lượng d
sd
≠0 không 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

j
f
sd
ji
= 0 , với ∀ s, d, i = 1 N: s<d, i ≠ s, i ≠ d
(3-17)
Σ
j
f
sd
ij
- Σ
j
f
sd
ji
= 1, với ∀ s, d, i = 1 N: s<d, s=i
(3-18)
Σ
j
f
sd
ij
- Σ
j
f
sd
ji
= -1, với ∀ s, d, i = 1 N: s<d, d=i
(3-19)


CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG GIẢI BÀI TOÁN 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 toán mô phỏng, với mục tiêu:
+ Đánh giá so sánh tương đối với các kết quả tương tự trên thế giới;
+ Đánh giá hiệu năng củ
a các giải pháp để từ đó xác định miền áp dụng;
+ Khảo sát một số nhân tố ảnh hưởng đến kết quả bài toán.
4.2 THIẾT LẬP MÔ PHỎNG
Sử dụng các giả định, thiết lập và tính toán 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 m
ỗi mẫu:
• Ma trận lưu lượng D={d
sd
} và ma trận chi phí tuyến C= {c
ij
} 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 tôi đã thực hiện mô phỏng cho mỗi loạ
i 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
toán lớn, nên số mẫu được thực hiện là 5.

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 không tách lưu lượng theo hàm mục tiêu (3-12) và các
hệ ràng buộc tương ứng.
2. Phương án 2: Gi
ải 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 không 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 không tách lưu
lượng.
• Các giá trị dung lượng hay tải của Ring và tổng chi phí của mỗi phương án
được tính toán và so sánh cho mỗi mẫu mô 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 :
PI
O-H
= (Z
H
- Z
O
)/ Z
O
(%)

(4-1)

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 mô
phỏng.
4.3 KẾT QUẢ MÔ 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. Ngoài ra, giai đoạn đầ
u chưa có điều kiện tiếp cận Cplex, chúng tôi
cũng thử nghiệm giải bài toán trên phần mềm không 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 toán
và PI(%) giữa các phương án 1 với phương án 2 và phương án 1 với phương 19
án 3. Kết quả cho thấy thời gian tính toán 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 qu
ả 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 mẫ
u thử ngẫu nhiên, số
trường hợp phương án 1 tốt hơn phương án 3 chiếm 99% và giá trị trung bình

0,1
1
10
100
1000
10000
100000
Thời gian( Sec)
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 kho
ảng (4 ± 0.29)% với độ tin cậy 95%. 20
Do vậy, cách giải theo phương án 2 cũng cho kết quả hợp lý và có thể áp dụng
đối với bài toán 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 luôn nhỏ hơn
phương án 2, từ đó cho thấy sự bố trí tương đối giữa các l
ưu lượng có ảnh
hưởng đến kết quả định tuyến tối ưu.

15%
20%
25%
30%
345678910
Nodes
PI (%)
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
không 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
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 ch
ưa chỉ rõ.
2. Thời gian tính toán 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

ngẫu nhiên. Điều đó chứng tỏ là với nút nhỏ thì nhờ có tối ư
u 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 không 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 không tách lưu lượng và có tách lưu lượng tương ứng là
26% và 22%. Điề
u 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
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 không
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 không 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 luôn luôn được

và 2 yếu tố
chi phí tuyến và thiết bị tương ứng với chúng là 2 ma trận ngẫu nhiên: chi
phí C = {c
ij
} và lưu lượng D= {d
sd
}. Thực hiện mô phỏng với 100 mẫu với
d
s
d
-
d
s
d
+
d
s
d

d
s
d
=
d
s
d
+
+ d
s
d

tươ
ng ứng trong tổng chi phí là 80% và 20%, khi tối ưu topology và định
tuyến có mức độ cải thiện về mặt thông 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 ư
u đồng thời topology và định tuyến cân bằng tải cho

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 CÔNG 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 thông-
ICT.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 đị
nh tuyến vòng 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 8-
9/8/2008, 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 v
ề 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