Báo cáo Bài tập lớn Tổ chức quy hoạch mạng viễn thông Đề tài: thuật toán Mentor

1. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện Tử - Viễn Thông
====o0o====
Báo cáo bài tập lớn
TỔ CHỨC VÀ QUY HOẠCH MẠNG VIỄN THÔNG
Đề tài: Bài tập số 10
Giáo viên hướng dẫn: TS.Trần Thị Ngọc Lan
Thành viên nhóm :
Nguyễn Mạnh Thế Điện tử viễn thông 06 – K56 20112240
Dương Văn Hoàn Điện tử viễn thông 08 – K56 20111601
Nguyễn Hải Nam Điện tử viễn thông 06 – K56 20111883
Lê Doãn Hoàng Điện tử viễn thông 01 – K56 20112606
Trần Minh Thuận Điện tử viễn thông 02 – K54 20090017
Hà Nội, tháng 5/2015

2. A. LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................................1
B. NỘI DUNG...............................................................................................................................4
I. YÊU CẦU CỦA BÀI TẬP.......................................................................................................4
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................................................................4
2.1. Lý thuyết chung................................................................................................................4
2.2. Thuật toán Mentor ............................................................................................................5
2.2.1.Tìm tâm C của mạng : .................................................................................................6
2.2.2. Xác định các nút backbone trong mạng........................................................................6
2.2.3. Xây dựng cây kết nối giữa các nút backbone với nhau : ................................................8
2.3. Thuật toán MENTOR II :..................................................................................................9
2.3.1. Đặt vấn đề :................................................................................................................9
2.3.2. Thuật toán Mentor II :.................................................................................................9
2.3.2.1. Thêm các liên kết trực tiếp :................................................................................10
2.3.2.2. Thuật toán ISP (Incremental Shortest Path)..........................................................11
III. TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN.............................................................................................13
IV. KẾT LUẬN........................................................................................................................16
C. TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................16

3. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 1
A. LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ viễn thông điện tử đã tiếp tục tiến bộ nhanh chóng kể từ khi có
phát minh hệ thống điện tín và điện thoại đến mức nó đã cách mạng hoá các
phương tiện thông tin truyền thông khoảng một thế kỷ trước đây. Ngày nay hệ
thống thông tin viễn thông điện tử được xem như các phương tiện kinh tế nhất
có được để trao đổi tin tức và số liệu. Ngoài ra song song với sự phát triển, tăng
trưởng của kinh tế việc hình thành các phương tiện cần thiết cho viễn thông điện
tử đã trở nên phức tạp hơn và có khuynh hướng kỹ thuật cao nhằm đáp ứng nhu
cầu đang tăng về các dịch vụ có chất lượng cao và dịch vụ viễn thông tiên tiến.
Do đó việc tổ chức một mạng viễn thông nhằm tạo ra một mạng viễn thông có đủ
khả năng đáp ứng các yêu cầu trên đóng một vai trò rất quan trọng. Đồng thời tổ
chức mạng lưới này phát triển trở thành một phần cơ bản quan trọng của xã hội
thông tin hoá cao trong tương lai. Hệ thống mạng viễn thông là tập hợp các trang
thiết bị kỹ thuật để cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng.
Các bộ phận cấu thành hệ thống mạng viễn thông:
Nhìn từ quan điểm phần cứng, hệ thống viễn thông bao gồm các thiết bị:
 Thiết bị đầu cuối thông tin: để đưa thông tin của người sử dụng vào
mạng và nhận thông tin của mạng cho người sử dụng.
 Thiết bị chuyển mạch: Để liên hệ giữa các đầu cuối theo yêu cầu
 Thiết bị truyền dẫn: Để liên kết nhóm a với nhóm b và nhóm b với nhóm b
( a-b ) : Đường dây thuê bao
( b-b ) : Đường trục ( trung kế )
( a-b ) : Mạng AN và mạng lõi có LE làm biên giới phân cách .
Các phần mềm (Kỹ thuật mạng)

4. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 2
 Cho biết các phần cứng liên hệ với nhau như thế nào ---> Topo mạng. Với
Topo mạng ta sẽ phân biệt được rõ về mạng AN và mạng lõi. AN (a - b), lõi
(b- b).
 Các giao thức mạng: Cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng.
 Giao thức để liên kết
 Giao thức để trao đổi thông tin, giữa hai giao thức này có thể tách rời, có thể
kết hợp với nhau.
 Quản lý và khai thác mạng
Về phần mềm thì việc tổ chức mạng viễn thông ngày nay đã trở thành một phần
quan trọng trong hệ thống viễn thông trên thế giới. Để xây dựng mạng thì ta phải
xây dựng được cấu hình của các phần tử mạng. MENTOR – Mesh Network
Topology Optimization Routing là một thuật toán rất thích hợp cho việc các thiết
kế mạng thông tin vì nó không phụ thuộc vào đặc điểm của bất kỳ một công
nghệ hay kiến trúc mạng nào thay vào đó nó chỉ phụ thuộc vào nguyên tắc
thiết kế mạng. MENTOR có thể ứng dụng cho nhiều loại mạng, đặc biệt là
mạng ATM.
Chương trình MENTOR là một ứng dụng tin học trong việc thiết kế
Topology cho mạng bằng thuật toán cùng tên. Tất nhiên do còn nhiều hạn chế
nên chương trình vẫn mang tính chất mô phỏng, các giả thiết, điều kiện chưa thể
giống hoàn toàn như yêu cầu thực tế nhưng nó cũng giúp chúng ta nắm được quá
trình xây dựng Topology cho mạng.
Trong quá trình thực hiện tuy có rất nhiều khó khăn nhưng nhờ sự hướng dẫn tận
tình của TS.Trần Thị Ngọc Lan cũng như nỗ lực của bản thân mà chúng em đã
hoàn thành được đề tài này, nhưng do thời gian cũng như trình độ sinh viên có
hạn nên không thể tránh khỏi một vài sai sót. Chúng em mong nhận được những

5. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 3
lời khuyên của cô để chúng em có thể hiểu thêm về bài tập này nói riêng và môn
học này nói chung.
Chúng em xin chân thành cảm ơn cô!

6. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 4
B. NỘI DUNG
I. YÊU CẦU CỦA BÀI TẬP
- Cho mạng gồm 90 nút. Các nút được đặt một cách ngẫu nhiên trên mặt phẳng
kích thước 1500 x 1500. Trọng số của mỗi liên kết được tính bằng round (0.4x
khoảng cách đề các)
1. Sử dụng thuật toán MENTOR để tìm nút backbonevà các nút truy nhập tương
ứng với nút backbone. Biết W=4, R=0.3, dung lượng liên kết C=2. Biết trọng số
của các nút W5 = W71= W90= 9 , W7 = W23= W45= 10 , còn các nút khác có trọng
số bằng 1.
2. Sử dụng thuật toán MENTOR 2(ISP) để tính cây backbonebiết yêu cầu độ sử
dụng tối đa là 60%. 𝛼=0.4 . Lưu lượng giữa nút i và i+4 là 1. Lưu lượng giữa nút
i và i+6 là 2 và lưu lượng giữa i và i+7 là 3.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết chung
Trong mạng viễn thông chúng ta có các nút mạng liên kết với nhau tạo thành
hệ thống mạng. Trong hệ thống mạng chúng ta có nhiều mạng truy nhập (Access
Network) và các mạng access liên hệ với nhau thông qua mạng đường trục
(Backbone Network). Vì vậy các nút mạng chia làm 2 loại, nút truy nhập
(Access) và nút Backbone. Trong mạng truy nhập (AN) thì chỉ có 1 nút
Backbone và các nút Access khác, các nút Access muốn kết nối với các nút ở
mạng truy nhập khác phải thông qua nút Backbone. Mạng Backbone là cầu nối
để các mạng truy nhập kết nối với nhau, là một mạng được thiết lập qua các nút
Backbone.

7. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 5
Các chỉ tiêu, yêu cầu kỹ thuật và tính chất của hai mạng này khác nhau, chính vì
vậy bài toán đặt ra ở đây là thiết lập hệ thống mạng trên các nút mạng cho trước
để đảm bảo một số tiêu chuẩn, yêu cầu nhất định và tối ưu hoá về một số mặt là
cần thiết.
Chương trình sẽ sử dụng thuật toán MENTOR để giải quyết bài toán này. Để
thiết lập mạng Access chúng ta sử dụng thuật toán Kruskal và để thiết lập mạng
Backbone ta dùng thuật toán Mentor. Ta có các thông số và giả thiết sau.
 Tổng số nút mạng trong toàn bộ hệ thống mạng kí hiệu là N và được đánh
số từ 0 ÷ (N – 1).
 Để biểu diễn sự liên hệ giữa các nút mạng với nhau ta có các ma trận sau:
 Ma trận chi phí Cost [NxN]. Đây là ma trận 2 chiều đối xứng, chứa chi phí
kết nối giữa các nút. Hàng i và cột j chứa giá trị là chi phí đi từ nút i đến
nút j.
 Ma trận yêu cầu Req[NxN]. Là ma trận 2 chiều đối xứng, chứa mức độ
yêu cầu liên lạc giữa các nút với nhau. Hàng i cột j chứa giá trị là yêu cầu
từ nút i đến nút j.
 Ma trận dung lượng tối đa Cmax[NxN]. Cũng là ma trận đối xứng 2 chiều.
Chứa giá trị ( hiệu dụng ) tối đa dung lượng của kênh liên kết giữa các nút.
 Từ ma trận yêu cầu Cmax và ma trận chi phí Cost ta có thể xây dựng được
ma trận trọng số W của các nút.
2.2. Thuật toán Mentor
- Thuật toán Mentor gồm các bước :
+ Tìm tâm C của mạng
+ Xác định các nút backbonetrong mạng
+ Xây dựng cây kết nối giữa các nút backbonevới nhau

8. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 6
2.2.1.Tìm tâm C của mạng :
- Ta tính : Moment (i) = ∑ 𝐶𝑖𝑗
𝑁
𝑗=1 𝑤𝑗
- Nếu Moment (i) đạt giá trị nhỏ nhất trong tất cả các nút ⇒ i là tâm C của mạng.
- Trong đó :
+ N là tổng số nút của mạng
+ wj là trọng số của nút j
+ Cij là giá liên kết (i,j)
2.2.2. Xác định các nút backbone trong mạng
- Bước 1: Xác định nút backbonethỏa mãn tiêu chuẩn trọng số:
+ Trọng số của một nút W(i) là tổng của tất cả các lưu lượng vào ra của
nút đó.
+ Liên kết có dung lượng C.
+ Trọng số chuẩn hóa của nút i là: 𝑁𝑊( 𝑖) =
𝑊(𝑖)
𝐶
.
+ Nếu nút có 𝑁𝑊( 𝑖) > 𝑤, thì nút đó được chọn làm nút backbone, với w
là tham số cho trước.
- Bước 2 : Xác định MAXCOST :
+ MAXCOST = maxi,j cost(Ni, Nj) = maxi,j √(𝑥𝑗
2
− 𝑥𝑖
2
)2 + (𝑦𝑗
2
− 𝑦𝑖
2
)2
- Bước 3 : Xác định các nút truy nhập của nút backboneđã xác định:
+ Tất cả các nút không thỏa mãn điều kiện về trọng số và gần nút xương
sống (nút backbone)sẽ được chọn là nút đầu cuối.

9. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 7
+ R là bán kính : 𝑅 = 𝑀𝐴𝑋𝐶𝑂𝑆𝑇 . 𝑃𝑅𝐴𝑅𝑀
+ Lấy nút backbone i làm tâm quay vòng tròn bán kính R, các nút trong
vòng tròn mà không phải là nút backbonesẽ là nút truy nhập (access)của nút
backbonenày.
- Bước 4: Xác định nút backbonevà nút truy nhập cho những nút cònlại:
+ Tìm trung tâm của trọng lực các nút (xctr , yctr)
- 𝑥 𝑐𝑡𝑟 =
∑ 𝑥 𝑖.𝑊(𝑖)𝑁
𝑖=1
∑ 𝑊(𝑖)𝑁
𝑖=1
- 𝑦𝑐𝑡𝑟 =
∑ 𝑦𝑖 .𝑊(𝑖)𝑁
𝑖=1
∑ 𝑊(𝑖)𝑁
𝑖=1
- Với (𝑥𝑖, 𝑦𝑖) và 𝑊(𝑖) lần lượt là tọa độ và trọng số của nút i.
+ Khoảng cách CG
- 𝑑𝑐𝑖 = √(𝑥𝑖
2
− 𝑥 𝑐𝑡𝑟
2
)2 + (𝑦𝑖
2
− 𝑦𝑐𝑡𝑟
2
)2
- max dc = max(𝑑𝑐𝑖)
- max W = max(W(i))
+ Tính hàm thưởng (merit)
- merit đưa ra giá trị cân bằng giữa vị trí gần trung tâm và trọng số
của nó
- 𝑚𝑒𝑟𝑖𝑡(𝑖) =
0.5∗(𝑚𝑎𝑥𝑑𝑐−𝑑𝑐 𝑖)
𝑚𝑎𝑥𝑑𝑐
+ 0.5∗
𝑊(𝑖)
𝑚𝑎𝑥𝑊
+ Phân loại các nút còn lại

10. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 8
- Chọn nút có thưởng lớn nhất chuyển thành nút backbone
- Phân loại các nút mới thành các nút truy nhập (Từ nút backbone,
quay vòng tròn bán kính R , các nút thuộc vòng tròn này mà không phải là nút
backbonesẽ là các nút truy nhập)
- Quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các nút được phân loại
2.2.3. Xây dựng cây kết nối giữa các nút backbonevới nhau :
- Ở trên ta đã xác định được các nút backbonevà các nút truy nhập, bây giờ ta sẽ
sử dụng cây Prim-Dijkstra với tham số 𝛼 để xây dựng cây kết nối giữa các nút
backbonevới nhau.
- Cây MST (Minimum Spanning Tree) : Cây bắc cầu tối thiểu , đại diện là thuật
toán Prim
+ Total length = min
+ Total path = max
- Cây SPT (Shorted Path Tree) : Cây theo đường ngắn nhất , đại diện là thuật
toán Dijkstra
+ Total length = max
+ Total path = min
- Cây Prim-Dijkstra với tham số :
+ Nhãn Prim : 𝑚𝑖𝑛 𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ𝑏𝑜𝑟𝑠 𝑑𝑖𝑠𝑡( 𝑛𝑜𝑑𝑒, 𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ𝑏𝑜𝑟)
+ Nhãn Dijkstra :
𝑚𝑖𝑛 𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ𝑏𝑜𝑟𝑠[𝑑𝑖𝑠𝑡( 𝑠, 𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ𝑏𝑜𝑟) + 𝑑𝑖𝑠𝑡( 𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ𝑏𝑜𝑟, 𝑛𝑜𝑑𝑒)]

11. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 9
+ Nhãn Prim – Dijkstra :
𝑚𝑖𝑛 𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ𝑏𝑜𝑟𝑠[𝛼 ∗ 𝑑𝑖𝑠𝑡( 𝑠, 𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ𝑏𝑜𝑟) + 𝑑𝑖𝑠𝑡( 𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ𝑏𝑜𝑟, 𝑛𝑜𝑑𝑒)]
- Với 𝛼 𝜖 [0,1]
+ 𝛼 = 0 ⇒ 𝑃𝑟𝑖𝑚
+ 𝛼 = 1 ⇒ 𝐷𝑖𝑗𝑘𝑠𝑡𝑟𝑎
2.3. Thuật toán MENTOR II :
2.3.1. Đặt vấn đề :
- Sau khi chúng ta thiết kế xong mạng , vấn đề là lưu lượng sẽ đi qua đâu. Nếu
chỉ sử dụng thuật toán Prim – Dijkstra , số lượng liên kết là ít nhất mà vẫn đảm
bảo có một và chỉ một đường đi duy nhất giữa 2 nút bất kỳ.Tuy nhiên với thiết
kế như thế, sẽ tồn tại những liên kết mà lưu lượng đi qua nó rất lớn , điều đó
đồng nghĩa với việc không đảm bảo tính ổn định cho mạng.
- Như vậy cần cải thiện giải thuật Mentor thêm các liên kết trực tiếp nhưng vẫn
phải xem xét luôn đến giới hạn của thuật toán định tuyến .Kết quả là thuật toán
Mentor II ra đời.
2.3.2. Thuật toán Mentor II :
- Thuật toán Mentor II sử dụng 2 ma trận kích thước NxN :
+ Ma trận [sp-dist]NxN : Lưu khoảng cách ngắn nhất giữa 2 nút i và j.
+ Ma trận [sp-pred]NxN : Ma trận contrỏ nút, lưu các vị trí các nút trên
đường ngắn nhất giữa 2 nút i và j.
- Hai ma trận này luôn được cập nhật sau mỗi lần thêm liên kết .

12. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 10
- Các bước giải của Mentor II tương tự như Mentor I nhưng thêm bước “thêm
các liên kết trực tiếp”
2.3.2.1. Thêm các liên kết trực tiếp :
- Khi xem xét liệu có thêm liên kết trực tiếp giữa nút nguồn S và nút đíchD với
độ dài liên kết SD=L, ta xây dựng s_list và d_list.
+ s_list với ý nghĩa là tập nút “được hưởng lợi “ nếu muốn đi đến nút khác
nếu dùng liên kết trực tiếp SD.
+ d_list với ý nghĩa là tập nút “được hưởng lợi “ nếu muốn đi đến nút
khác nếu dùng liên kết trực tiếp DS.
- Với ý nghĩa như trên , cách xây dựng s_list và d_list như sau:
+ Thêm nút vào s_list nếu : sp_dist[node,s]+ L < sp_dist[node,d]
+ Thêm nút vào d_list nếu : sp_dist[node,d]+ L < sp_dist[node,s]
- Xem xét tất cả các cặp (𝑛𝑖, 𝑛𝑗), trong đó : {
𝑛𝑖 𝜖 𝑠_𝑙𝑖𝑠𝑡
𝑛𝑗 𝜖 𝑑_𝑙𝑖𝑠𝑡 . Khi đó , lưu lượng
(𝑛𝑖, 𝑛𝑗) sẽ chuyển sang liên kết dự định nếu :
sp_dist[𝑛𝑖,s] + L + sp_dist[𝑑, 𝑛𝑗] < sp_dist[𝑛𝑖, 𝑛𝑗]
- Độ dài lớn nhất để cho có thể ấn định lưu lượng (𝑛𝑖, 𝑛𝑗) để chuyển đi theo
đường này là :
maxL= sp_dist[𝑛𝑖, 𝑛𝑗] - sp_dist[𝑛𝑖,s] - sp_dist[𝑑, 𝑛𝑗]
- Nếu độ dài liên kết (𝑛𝑖, 𝑛𝑗) ấn định trong khoảng (L, maxL) thì lưu lượng sẽ
chuyển đi theo đường đi SD mới này.

13. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 11
Hình 1.Ví dụ xây dựng s_list và d_list
2.3.2.2. Thuật toán ISP (Incremental Shortest Path)
- Đây là bước cải tiến để đáp ứng phần nào đã yêu cầu ở trên . Mục đích của
thuật toán ISP là xác định tất cả những cặp có thể sử dụng liên kết trực tiếp thay
cho liên kết hiện tại.

14. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 12
Hình 2.Lưu đồ thuật toán ISP

15. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 13
III. TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN
Hình 3. Giao diện chương trình
Hình 4. Khởi tạo mạng

16. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 14
Hình 5. Thêm trọng số cho các node có trọng số đặc biệt
Hình 6. Tìm nút backbone, backbone trung tâm và nút truy nhập của mỗi
backbone

17. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 15
Hình 7. Tìm cây Prim – Dijkstra
Hình 8. Thêm liên kết

18. [Tổ chức và quy hoạch mạng viễn thông] Trang 16
IV. KẾT LUẬN
- Qua bài tập lớn này, chúng em đã phần nào hiểu rõ hơn về thuật toán Mentor
và cách hình thành cây theo thuật toán Mentor cũng như xây dựng cây MST và
PST. Đặc biệt , chúng em đã có thể mô phỏng thuật toán trên phần mềm Matlab
và giúp cho chúng em hiểu một cách sâu sắc hơn.
- Tuy nhiên , do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế nên chúng em không
thể tránh khỏi những sai sót, mong cô giáo chỉ bảo thêm cho nhóm chúng
em.Chúng em xin chân thành cảm ơn cô.
C. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Khoa điện tử viễn thông . “ Bài giảng môn tổ chức mạng viễn thông”.
Trang 27.
[2]. Aaron Kershenbaum, Parviz Kermani and George A.Grover , “Mentor : An
Algorithm for mesh Network Topological Optimization and Routing”, IEEE
Transactions on communications, vol.39, NO. 4, April 1991.
[3]. www.google.com.vn
[4]. www.wikipedia.org