CN102523170B - 一种再生器在波分复用光网络中的配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种再生器在波分复用(WDM)光网络中的配置方法。该方法将启发式和整数线性规划，分别用于确定网络中配置再生器的路由节点位置和每个节点配置再生器的个数。在已知网络拓扑，可配置的再生器总数有限的情况下，通过本方法合理配置再生器，可降低由于光纤物理传输损伤限制，目的节点无法正确恢复原信息而导致的网络阻塞率。该方法是与网络业务类型无关的，采用本方法可得到网络与业务无关的最低保守性能。另外，该方法是与网络交换类型无关的，由方法得到的WDM网络中再生器的配置结果，既可应用于波长路由网络，也可应用于光分组交换网络。

Description

一种再生器在波分复用光网络中的配置方法

技术领域

在已知波分复用光网络拓扑，可配置的再生器总数有限的前提下，以链路累计传输长度作为阈值，基于启发式和整数线性规划，确定网络中需要配置再生器的路由节点位置及每个节点配置再生器个数的方法，属于网络技术领域，尤其涉及可实现波分复用光网络具有一定与业务无关的性能保证的再生器配置算法技术领域。

背景技术

在高速、长距离波分复用(WDM)的光纤通信系统中，由于光纤色散与非线性、系统噪声及器件老化等因素的影响，经过长距离传输后，信号受到不同程度的损伤，质量下降，包括脉冲畸变、信噪比下降等，严重者甚至无法恢复出原始信号。因此有必要进行信号再生，以延长信号传输距离。在WDM光网络中，合理配置再生器可降低网络中由于信号质量差，目的节点无法正确接收信号而导致的业务阻塞率。然而，若在每个路由节点处均配置再生器，将大大增加网络成本。因此，需要在保证网络性能及可控成本范围内，采用适当的算法将再生器合理地配置在网络中最需要的路由节点上，以有限数量的再生器最大程度地降低网络的阻塞率，这也是WDM光网络设计中需要解决的一个关键问题。

目前，已有国外学者采用两步整数线性规划(ILP)方法解决再生器在混合速率光网络中的配置问题(参考文献：A.Nag and M.Tornatore，Transparent vs.translucent optical network design with mixed line rates[C]，Optical FiberCommunication Conference，2009，OWI7：1-3)。首先在再生器总数存在最大值的约束下，以网络高比特率通路尽可能多为目标确定再生器的位置；然后在只考虑再生器及不同速率光转发器成本的前提下，以整个网络成本最低为目标确定再生器的配置个数。类似的方法还有在光路径传输损伤影响下，约束业务转发跳数，建立ILP模型，考虑WDM光网络中的业务疏导和再生器放置问题(参考文献：Patel A.N.，Gao C.，Jue J.P，et al.Optimal Traffic Grooming and RegeneratorPlacement in WDM optical networks[C]，Optical Fiber Communication Conference2010，NTuA1：1-3)。这些基于ILP的方法计算量较大，只适用于业务已知或业务可预测的静态网络，而不适用于复杂的动态网络。

除使用整数线性规划解决再生器在光网络中的配置问题外，还有学者使用启发式方法来解决此问题。为提供任意两节点间的光连接，使用业务不相关的启发式算法，确定配置再生器的路由节点位置。(参考文献：Saradhi C.V.，FedrizziR.，Zanardi A.，et al.Traffic independent heuristics for regenerator site selection forproviding any-to-any optical connectivity[C]，Optical Fiber CommunicationConference，2010，OTuG4：1-3)。其中包括基于光路径的和与连通性相关的两类启发式算法。基于光路径的启发式通过对光路径分级排序，在网络中选择配置再生器的节点，以使所有网络中由于传输损伤限制不可到达(即不通)的光路变为光可到达的通路。与连通性相关的启发式在满足任意节点间可连通的前提下，基于k中心点法，确定网络需要配置再生器的最少路由节点数。与ILP方法相比，上述两种启发式算法较简单，计算量少，可适用于复杂的动态网络，但只能确定网络中需要配置再生器的节点位置和平均每个节点需要的再生器个数。

因此，关于再生器在WDM光网络中的配置问题，采用整数线性规划或启发式方法各有局限性，而尚未有将二者相结合的报道出现。本发明将启发式与整数线性规划相结合，提供一种适用于复杂动态网络、在再生器总数有限的约束下，确定需要配置再生器的路由节点位置及每个节点配置再生器个数的方法，从而实现再生器在网络中的合理配置，达到最大程度降低网络由于光纤传输损伤限制而导致的阻塞率的目的。

为了进一步解释上述内容，下面给出几个重要的定义：

1、网络中节点的平均中心距离：

给定由N个节点和E条链路构成的网络G(N，E)。任意一节点i至少经过2N+m次(其中N次作为源节点，N次作为目的节点，作为中间节点的次数m不定)，对于每条经过节点i的光路径都有自己路径长度的中心点，若设源节点s到目的节点d的光路径长度为l_sd，节点i为源节点s到目的节点d的光路径上的一个中间节点，节点i到目的节点的路径长度为d_id，则该节点i到该条光路径中心的距离为abs(d_id-l_sd/2)，从而可求出每个节点的平均中心距离 $\frac{1}{2N+m}\underset{i=1}{\overset{2N+m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(d_{\mathrm{id}}-\frac{l_{\mathrm{sd}}}{2}).$

2、网络中单跳路径长度及累计光路径长度：

网络中单跳路径长度是指两个相邻节点间连接链路的距离长度。累计光路径长度是指从源节点或完成再生的节点到当前节点，所经过的所有连接链路长度的加和。

3、链路长度域值及光路可通：

信号经过一定距离L_T的光纤传输后会受到严重损伤，以至于目的节点无法正确恢复出原始信息，此L_T值即为链路长度阈值。当信号到达目的节点或是被再生器再生前，累计光路径长度小于或等于链路长度阈值L_T时，该光路视为可通，否则视为阻塞。另外单跳光路径均视为可通。

4、节点度及路径的跳数：

网络中某节点所连接的支路个数称为节点度。某条路径从源节点到达目的节点经过节点(包括其目的节点)的总数称为该路径的跳数。

发明内容

本发明公开了一种在已知节点连接信息的光网络拓扑中，根据光纤传输损伤限制，在再生器数量有限的约束下确定配置再生器的路由节点位置及每个节点配置再生器个数的方法。其包含以下步骤与内容。

1.确定需要配置再生器的路由节点位置

将网络拓扑模型化为一个无向图G(V，E)，其中V为节点集，E为边集，所有方向上的边的权重是相等的。

采用启发式方法，在保证任意两节点间光路可通的前提下，根据光纤传输损伤限制，选择需要配置再生器的节点，具体步骤如下：

步骤一：找出网络中任意两节点间的最短路径；

步骤二：以链路长度阈值为基准，判断每条光路是否可通；

步骤三：计算每个节点的平均中心距离，并将节点分别按平均中心距离和节点度降序排列；

步骤四：选择节点度大的节点作为再生器放置节点，当一条光路中有两个或更多个节点具有相同节点度时，选择平均中心距离相对较长的节点；

步骤五：计算由配置再生器的节点分段后的子路径长度，并判断所有子路径的可通性；

步骤六：重复步骤三至步骤五，直到不再存在不通光路为止。

2.确定各配置节点配置再生器的个数

在找到需要配置再生器的节点位置后，通过整数线性规划确定每个节点配置再生器的个数。

输入参数说明：

G(V，E)：无向网络拓扑图，V为节点集，E为边集；

N：节点个数；

M：网络中可配置再生器的总数；

w：每条链路支持的波长数；

l_sd：源节点s到目的节点d所经过的路径长度；

D_i：节点i的节点度；

L_T：链路长度阈值；

变量说明：

x_i：节点i配置的再生器个数；

目标函数：

最大化 $\underset{s=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{d=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{sdi}}{x}_i---\left(1\right)$

约束条件：

x_i≥1，节点i连接光路的单跳路径长度≥L_T    (2)

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\≤M---\left(3\right)$

x_i≤w·(D_i-1)                             (4)

x_i≥0                                     (5)

目标函数(1)最大化由于链路长度阈值限制不通的光路在适当添加再生器后变通的光路数。约束条件(2)限制某节点连接的所有链路中，若其中有一条链路单跳长度超过阈值，则该节点处放置再生器的个数必大于等于1。约束条件(3)指明再生器配置总数的限制。约束条件(4)指出在节点度和链路支持的最大波长数联合限制下，每个节点可配置的最大再生器个数，以避免再生器过多地集中配置在某些节点。约束条件(5)说明每个节点可配置一个，多个或不配置再生器，即配置个数大于等于0。

本发明具有以下优点：

(1)本发明所涉及的方法，将WDM网络中配置再生器的问题分为两个子问题，第一个子问题为确定配置再生器的节点位置，第二个子问题为确定每个节点配置再生器的个数。在第一子问题中采用启发式方法，在第二个子问题中采用整数线性规划。因此，计算量较小，可适用于复杂的动态网络。

(2)本发明所涉及的方法是与网络业务无关的，可适用于任意业务类型及任意已知拓扑的网络，同时也与网络交换类型无关，可适用于波长路由网络及光分组交换网络。基于网络节点度、链路支持的波长数，链路长度等因素，确定再生器在网络中配置的节点位置及个数。

(2)本发明所涉及的方法，可在再生器总数一定的情况下，将再生器合理地配置在需要的节点，降低由于光纤物理传输损伤限制导致的阻塞率。并有效地避免了某些节点配置过多的再生器。

附图说明

图1：本发明提出方法的流程图。

图2：本发明提出的方法在仿真中使用的网络拓扑图。

图3：仿真结果图。其中：

(a)、(b)和(c)分别表示将根据算法确定的再生器配置结果应用于传统波长路由网络、改进的波长路由网络及光分组交换网络中，不同再生器总数约束下的再生器配置方案所对应的阻塞率与业务负载强度的关系。

具体实施方式

为了更好地验证本发明提出的方法的性能，将其应用于由16个节点25条链路构成的NSF网络。网络中每条链路长度范围在600km到3000km之间，且每条链路由一对光纤组成，因此任意直接相连的两个节点可实现双向通信。每条光纤支持的波长数为4。同一时刻，任意两个节点之间通信都占用且只占用一个波长信道。路由选择算法采用典型的最短路径算法——Dijkstra算法，并以路径长度作为路由选择的代价标准。使用Dijkstra算法可得到网络中任意两节点间的最短路径。当最短路径不唯一时，从所有等长的最短路径中随机选取。假设物理层传输的是40Gb/s的光差分正交相位调制的归零码(DQPSK_RZ)信号，因此，链路长度阈值设为1500km，这是因为当传输长度超过此阈值时，40Gb/s的DQPSK_RZ信号的误码率(BER)已低于10^-7，不利于目的节点恢复原始信息。

采用本发明提出的算法得到的再生器配置结果如表1所示。由表可见，节点度大的节点配置了相对较多的再生器，这是因为节点度大的节点利用率比其它节点要大。另外，约束条件(4)避免了某一节点配置过多的再生器，因此再生器可被合理地分配给其它节点。除此之外，单跳链路长度超过阈值的两端节点也比其它节点需要配置更多的再生器。表1同时给出了不同再生器总数约束下由于物理传输链路损伤限制信号无法被正确接收而导致连接不成功的概率，即阻塞率。可见，随着最大再生器总个数M的增加，阻塞率下降。特别是当限制再生器总数为60的前提下，阻塞率低于50％。而若保证任意两节点间的可通性，则共需312个再生器。

表1本发明提出的方法应用于NSF网络确定的各节点再生器配置情况及对应阻塞率

表1给出的再生器位置及个数的配置结果没有考虑网络业务特征，将此结果分别应用于传统的波长路由网络、改进的波长路由网络及光分组交换网络，进行动态网络仿真，分析网络性能，验证了再生器配置算法的可行性。

模拟仿真中，网络业务为动态的泊松业务，其平均到达速率为λ＝10个/s，其它仿真条件与上述算法的应用条件相同。应用表1给出的再生器配置结果，传统波长路由网络、改进的波长路由网络和光分组交换网络的阻塞率分别如图3(a)、(b)和(c)所示。由图可见，随着最大再生器总数M的增加，阻塞率下降。与表1最后一列给出的性能比较可知，无论是波长路由还是光分组交换网络，由于动态网络中的波长和再生器更有效地被利用，动态网络的阻塞率性能更优。因此使用本发明中提出的再生器在WDM光网络中的配置算法得到的再生器配置方案，完全可保证动态光网络具有一定与业务无关的保守性能。

综上所述，本方法达到了预期的目的。

Claims (5)

1.一种再生器在波分复用光网络中的配置方法，其特征在于包含以下步骤：

第一步，在保证任意两节点间光连接的前提下，采用启发式方法确定需要配置再生器的路由节点位置，包括：首先找出网络中任意两节点间的最短路径；然后以链路长度阈值为基准，判断每条光路是否可通；计算每个节点的平均中心距离，并将节点分别按平均中心距离和节点度降序排列；根据排序结果，选择节点度大的节点作为再生器放置节点，当一条光路中有两个或更多个节点具有相同节点度，选择平均中心距离相对较长的节点作为再生器配置节点；确定再生器配置节点后，计算由再生器配置节点分段后的子链路长度，并判断所有子光路的可通性；最后重复前面节点排序、选择再生器配置节点及判断子光路可通性的过程，直到不再存在不通光路为止，

其中，所述节点度为节点所连接的支路个数，并且通过以下表达式计算所述平均中心距离，

$\frac{1}{2N+m}\underset{i=1}{\overset{2N+m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(d_{\mathrm{id}}-\frac{l_{\mathrm{sd}}}{2}),$

N为网络中节点个数，l_sd为源节点s到目的节点d的光路径长度，当节点i为源节点s到目的节点d的光路径上的一个中间节点时，节点i到目的节点的路径长度为d_id，对于由N个节点和E条链路构成的网络G(N,E)，在其存在的所有可能光路径中，任意一节点i至少被经过2N+m次，其中N次作为源节点，N次作为目的节点，作为中间节点的次数m不定，且每条经过节点i的光路径都有自己路径长度的中心点，根据上述定义，节点i到当前光路径中心的距离为abs（d_id-l_sd/2），因此，根据上式可求出每个节点的平均中心距离；

第二步，在可配置的再生器总数一定的约束下，采用整数线性规划方法确定每个配置再生器的路由节点配置的再生器个数，使网络阻塞率最小；

实施整数线性规划过程中，输入参数：

G(V,E)：无向网络拓扑图，V为节点集，E为边集；

N：节点个数；

M：网络中可配置再生器的总数；

w：每条链路支持的波长数；

l_sd：源节点s到目的节点d所经过的光路；

D_i：节点i的节点度；

L_T：链路长度阈值；

变量：

x_i：节点i配置的再生器个数；

目标函数：

约束条件：

x_i≥1，节点i连接链路的单跳链路长度≥L_T(2)

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\≤M---\left(3\right)$

x_i≤w·(D_i-1)   (4)

x_i≥0(5)

目标函数（1）最大化由于链路长度阈值限制不通的光路在适当添加再生器后变通的光路数；约束条件（2）限制某节点连接的所有链路中，若其中有一条链路单跳长度超过阈值，则该节点处放置再生器的个数必大于等于1；约束条件（3）指明再生器放置总数的限制；约束条件（4）指出在节点度和链路支持的最大波长数联合限制下，每个节点可配置的最大再生器个数，以避免再生器过多地集中配置在某些节点；约束条件（5）说明每个节点可配置一个，多个或不配置再生器，即配置个数大于等于0。

2.如权利要求1所述的方法，将启发式和整数线性规划相结合，两种方法分别用于在已知波分复用光网络拓扑的情况下确定网络中配置再生器的路由节点位置和每个节点配置再生器的个数。

3.如权利要求1所述的方法，是与业务无关的，用于降低由于光纤物理传输损伤限制而导致的阻塞率，并可得到网络可实现的与业务无关的最低保守性能。

4.如权利要求1所述的方法，在保证任意节点间光连接的前提下，确定配置再生器的节点位置时，通过累计光路径长度与链路长度阈值相比较判断光路是否可通，若累计光路径长度小于或等于链路长度阈值时，则视为可通；否则视为阻塞；但若某光路径只需一跳即可实现从源节点到目的节点的连接，则即使此单跳光路径长度大于链路长度阈值，此光路必视为可通，因此，单跳光路径长度超过阈值的两端节点配置较多的再生器，此情形由整数线性规划中的约束条件（2）保证；在确定每个配置再生器的节点配置再生器的个数，使阻塞率最小的步骤中，由于节点度高的节点利用率比其它节点高，网络业务会以较大的概率经过这些节点，若在这些节点上配置足够的再生器，在相同的网络负载情况下，信号更有可能被再生，从而降低由于长距离传输，信号质量差而被阻塞的概率；因此节点度高的节点配置更多的再生器，同时避免某一节点配置过多的再生器，以使再生器可被更合理地分配给其它节点，此情形由约束条件（4）保证。

5.如权利要求1所述的方法，得到的波分复用光网络中配置再生器的节点位置及个数的结果适用于波长路由网络或光分组交换网络。

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