Optik dalgaboyu bölümlü çoğullamalı ağlarda fiziksel bozulmaları içeren sanal topoloji tasarımı
Physical impairment awared virtual topology design on optical wavelength division multiplexing networks
Yazar: ALİ KELEŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AYŞEGÜL YAYIMLI ; YRD. DOÇ. DR. ŞİMA UYAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Optik liflerin yüksek bantgenişliği sunmasıyla birlikte optik ağların önemi artmıştır. Bir optik lifte n adet dalgaboyunun taşınabilmesi sayesinde, istenilen bağlantıları kurmak amacıyla sanal topoloji adı verilen yapılar oluşturulabilir. Sanal topoloji tasarımı problemi verilen bir trafik matrisini yönlendirmek üzere sanal topolojinin oluşturulmasını hedefler. Sanal topolojinin kurulması üzerinde çalıştığı fiziksel toplojinin düğümlerinde yer alan alıcı, verici ve optik dalgaboyu anahtarlarına, ayrıca bu düğümleri birbirine bağlayan optik liflere bağlıdır. Bu kaynaklar sanal topoloji tasarımının kısıtlarını oluşturur. Bunun yanında fiziksel bozulmalar adı verilen optik işaret gürültü oranının düşmesi de ışıkyollarının kurulmasını etkiler. Fiziksel bozulmaları göz ardı eden sanal topoloji tasarımı problemi gerçekçi çözümler üretmeyecektir. Bu çalışmada erbiyum katkılı fiber kuvvetlendiricinin sebep olduğu kuvvetlendirilen doğal yayılım ve optik dalgaboyu anahtarlarının sebep olduğu hatların karışması gürültüsü ele alınarak sanal topoloji tasarımı problemi incelenmiştir. Adaptif yinelemeli yapıcı arama yöntemi ile fiziksel bozulmaları içeren sanal topoloji tasarımı problemine çözüm getirilmiştir. Bu problem için trafik yükseltme katsayısının en yüksek değere çıkarılması amaçlanmıştır. Sanal topoloji tasarımının bir alt problemi olan fiziksel bozulmaları içeren yönlendirme ve dalgaboyu atama problemi için tabu arama tabanlı üst sezgisel yöntem ile karınca sürüsü eniyileme tabanlı üst sezgisel yöntem geliştirilmiştir. Her iki yöntemde de toplam bit hata oranının en aza indirilmesi amaçlanmıştır. Yönlendirme için kullanılan çeşitli sezgisel yöntemlerin probleme bağlı olarak değişebilecek performansları yerine her problem için kabul edilebilir sonuçlar elde etmek için üst sezgisel yöntemlerin kullanılmıştır. Geliştirilen bu yöntemler literatürde bulunan tek sezgisel yöntemler ile karşılaştırılıp, karınca sürüsü eniyileme tabanlı üst sezgisel yönteminin iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Ayrıca problemin değişmesi ile birlikte bazı sezgisel yöntemlerin performansının bu üst sezgisel yönteme göre azaldığı görülmüştür. Bununla birlikte karınca sürüsü eniyileme tabanlı üst sezgisel yöntem, tabu arama tabanlı üst sezgisel yöntemden ve tek sezgisel yöntemlerin çoğundan daha kısa sürede çözüm üretmektedir.Bu çalışma sırasında dalgaboyu ataması için geliştirilen En Seyrek Kullanılan İlk prensibi ile çalışan yöntemin literatürdeki İlk Uyan yönteminden daha iyi sonuçlar verdiği, Rastgele Atama yöntemi ile ise karşılaştırılabilir sonuçlar verdiği görülmüştür. Literatürde sanal topoloji tasarımı problemi için geliştirilen ve iyi çözümler üreten bir Genetik Algoritma yöntemi fiziksel bozulmaları içerecek şekilde değiştirilip, adaptif yinelemeli yapıcı arama yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Her iki yöntemin sonuçlarının karşılaştırılabilir olduğu görülmüştür. Önerilen yöntemlerin sonuçları NSF ağı ve Telco ağı için elde edilmiştir.

Abstract:
The popularity of the optical networks is increasing with the help of large bandwidth offer of optical fiber. As the light is carried in n different wavelengths in a single fiber, a virtual topology should be designed to establish the connections between the end-users. Virtual topology design problem aims to design a virtual topology which can establish the connections for the given traffic matrix over a physical network. This physical network has nodes that contains equipments like transmitters, receivers and optical cross-connects that will all affect the design of the virtual topology. The pure virtual topology design problem is not realistic because of the impairments in the physical layer. In this study, physical impairment awared virtual topology design problem is solved while considering physical constraints of Amplified Spontaneous Emission in erbium-doped fiber amplifiers and crosstalk noise at optical cross-connects. Adaptive iterated construction search method is proposed to solve physical impairment awared virtual topology design. Also new routing and wavelength assignment approaches are proposed which are Tabu Based Hyper Heuristic and Ant Colony Optimization Based Hyper Heuristic to overcome the impairments occured in the physical layer. The aim is to maximize the trafic scale up while minimizing the total bit error rate of all the routed lightpaths over optical wavelength division multiplexing networks. The approaches implemented for routing and wavelength assignment problem are compared with single heuristic approaches. The results show that for ant colony optimization based hyper heuristic gives good-quality solutions to the problem. It also uses less amount of time than tabu search based hyper-heuristics and most of other successful heuristics. It is also shown that after changing problem parameters, the performance of single heuristics changed, in the other hand hyper-heuristics finds the combination of heuristics, which give better solutions than most of the heuristics.For wavelength assignment part of the problem, new proposed method named Least Used First gives better results than First Fit wavelength assignment method. It also gives comparable results with Random wavelength assignment method. The results for physical impairment virtual topology design problem are compared with Genetic Algorithm approach, which gives good quality solutions for virtual topology design problem. The proposed methods are tested with the data of NSFNET backbone and Telco network.