CN103475440A - 一种支持区分业务的损伤感知路由与波长分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光网络的支持区分业务的损伤感知路由与波长分配方法。当不同级别的业务请求时，在路由计算时根据不同等级的业务使用不同的算法，高等级业务（QoS₁）使用改进蚁群算法，中等级业务（QoS₂）使用备选路由算法，低等级业务（QoS₃）使用固定路由算法。在波长分配时按照波长分组进行分配，由RWA算法获得通道Q值并判定此值是否大于对应等级的门限值Q_threshold，来判定传送数据或者拒绝业务请求。通过将光网络中差异化路由与波长策略的结合，以达到满足QoS优先保证高等级业务RWA实现，提高网络的资源利用率。

Description

一种支持区分业务的损伤感知路由与波长分配方法

技术领域

本发明涉及一种光网络中物理层损伤感知路由与波长分配（IA-RWA）方法，尤其涉及一种按区分服务模型，即区分业务的物理层损伤感知路由与波长分配（IA-RWA）方法。

该方法可以在保证信号传输质量同时保证高优先级的阻塞率性能较低，使其适用于有损伤的非理想实际网络环境，属于光通信、网络优化领域。

背景技术

光网络正由传统的不透明和半透明的架构向全透明的光网络架构方向演进。波分复用和密集波分复用技术的出现，使得光网络中的可用带宽成倍的扩展，很好的解决了网络传输容量的问题。光学器件技术的不断发展，不仅使器件成本不断下降，同时也出现了全光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC），从而取消了传统的光网络中的光/电/光处理节点，形成了透明光网络（Transparent Optical Network）。随着透明光网络研究的不断深入，出现了许多新的问题，其中物理层损伤（Physical Layer Impairment）便是透明光网络发展中不可避免的重要问题。目前国内外对于未来透明光网络研究的一个重要方向就是要建立动态损伤感知（Impairment Aware）的透明光网络，其需要解决的主要问题包括：

(1）物理层损伤的监测、评估以及建模。现代光学仪器已经可以准确的监测到光网络中物理层信号的传输质量损伤情况，从而可以将获得的物理损伤情况进行进一步的评估，进而建立相应的物理损伤模型。常用的损伤模型包括光信噪比（OSNR）模型和 Q 值（Q value）模型。基于物理层损伤模型可以计算出候选光路（lightpath）的某个相应的物理层性能参量，以确定该光路是否能满足连接需求。通常以某种损伤的效果最小为优化目标，或者以某损伤效果指标在接收端能否达到预定的门限值，作为光路是否可用的判断标准。由于光网络中引起物理层损伤的机理复杂且多样，每种损伤的变化规律及其对路由选择的约束各不相同，无论是仅考虑一种光层物理损伤的影响，还是将多种损伤产生的效果折合为统一指标用于损伤效果的估计，都不能精确的和全面地反映物理层损伤的影响。如何更好地解决多物理损伤约束条件下的 RWA 问题，为业务提供信号质量有保证的传输服务，也就成为了损伤感知 RWA 算法研究的关键问题之一。

（2）损伤感知光路的建立。在透明光网络中，数据通过光通道（lightpath）进行传输，而光通道实际就是一个路由和波长的集合。网络中的连接请求到来时，就是要找到一条合适的光路来传输请求的数据，并借助波长路由分配（RWA） 算法找到合适的路由和分配适宜的波长来完成光通道的建立。当光通道由于传输质量劣化发生阻塞、或是建立一条光通道后引起其他的光通道传输质量不足时，就会发生“传输质量阻塞”。信号的传输质量不仅和信号的路径有关，还和网络中存在的非线性效应等物理损伤产生的影响有关，这大大的增加了 RWA 算法在透明光网络中的复杂性。一般情况下可将 RWA 算法分为动态 RWA 算法和静态 RWA 算法，目前大多数研究都集中在动态 RWA 算法的研究和改进。动态 RWA 算法中，连接请求的到来和终止都是动态的，算法复杂度高；静态的 RWA 算法中连接请求的到来是预先可知的，尽管其应用范围相对比较单一，但由于算法复杂度较低，计算速度较高。因此，在静态路由的 RWA 算法方面，仍值得进行深入的研究和和对原有的算法进行改进。

光网络已经由传统的传送网向业务网络演进，同时光网络承载的IP数据业务保持了爆炸式的快速增长。由于IP业务类型的多样性以及光层业务对服务质量需求的多样化，要求RWA算法必须能够适应智能光网络中面向不同业务的动态特征，而且要满足差异化QoS业务的需求。在多业务网络环境下，不仅需要处理好满足不同业务的不同服务质量需求和资源优化之间的矛盾，而且需要光网络中支持流量工程的各个功能子模块具有集成实现机制的能力，特别是还要具有适应不同物理层损伤及其对不同等级业务影响的差异化处理能力。

通常QoS提供以下三种服务模型：尽力而为服务模型（Best-Effort service）、综合服务模型（Integrated service，简称Int-Serv）、区分服务模型（Differentiated service，简称Diff-Serv）。Diff-Serv服务模型是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS需求。

发明内容

本发明针对在损伤环境下的差异化用户的业务服务质量（QoS）需求，提出一种光网络中支持不同业务优先级的差异化路由和波长分配方案。差异化用户的业务服务质量（QoS）可以按照业务的优先程度分为多个级别，如高等级业务QoS₁、中等级业务QoS₂和低等级业务QoS₃三个级别。基于损伤感知RWA算法的物理层信号质量可通过Q因子来测量，并根据三个业务等级对应设置三个门限值，高等级业务QoS₁的门限值为Q₁、中等级业务QoS₂的门限值为Q₂、低等级业务QoS₃的门限值为Q₃。

当光网络中不同级别的业务请求到达时，在路由计算时根据不同等级的业务使用不同的算法：高等级业务QoS₁使用链路空闲率约束的进化算法，如改进蚁群算法；中等级业务QoS₂使用备选路由算法；低等级业务QoS₃使用固定路由算法。

在波长分配时按照波长分组进行分配：高等级业务QoS₁对应波长组为G₁；中等级业务QoS₂对应波长组为G₂；低等级业务QoS₃对应波长组为G₃。计算由RWA算法获得的通道Q值，并判定此值是否大于对应等级的门限值Q_threshold，即满足对于高等级业务QoS₁有Q> Q₁，中等级业务QoS₂有Q> Q₂，低等级业务QoS₃有Q> Q₃。通过将光网络中差异化路由与波长策略的结合，以达到满足QoS优先保证高等级业务RWA实现，提高网络的资源利用率。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案。

一种支持区分业务的损伤感知路由与波长分配方案，包括如下步骤：

步骤1：网络初始化，假设各波长组数                                               ；

步骤2：业务请求到达，判断该业务是否为高等级业务

，若是使用改进型蚁群算法计算路由后转步骤3，若否转步骤4；

步骤3：判断波长组G₁是否有波长空闲：若是转步骤7，否则转步骤5；

步骤4：判断该业务等级是否为中等级业务QoS₂：若是使用备选路由计算路由后转步骤5，否则用固定路由计算路由后转步骤6；

步骤5：判断波长组G₂是否有波长空闲：若是转步骤7，否则转步骤6；

步骤6：判断波长组G₃是否有波长空闲：若是转步骤7，否则转至步骤8；

步骤7：若可分配的波长数为1，则将该波长分配给业务；若可分配波长数不止1，使用首次命中算法或者随机分配算法为该业务分配波长。转至步骤9；

步骤8：拒绝该业务请求；

步骤9：计算该通道的Q值，判断此通道的Q值是否满足对应等级的门限值Q_threshold。：若是转步骤10，否则转步骤8；

步骤10：开始传送数据。

本发明采用上述技术方案，具有在满足QoS需求的情况下优先保证网络中高等级业务的波长分配，从而降低高等级业务的阻塞率，提高网络总体的资源利用率。

附图说明

图1为本发明基于Cernet网络拓扑示意图。

图2为本发明的示意图。

图3为本发明的流程图。

图4为本发明的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的Cernet网络中，带宽分配以及流量工程的控制主要以波长为基本单位进行的。因此，当客户层业务到达时，智能光网络需要为每个业务计算路由和分配波长，并建立光通道连接传送业务。当有多条可用的波长存在于源节点与目标节点之间的时候，此时波长分配算法的作用就可以从中选择一条最合适的建立光路。例如业务需要从节点11发送至节点13，业务到达源节点11时，经由合适的路由算法计算出路由后考虑波长分配的问题。因为一个光通道经过的节点无波长转换功能或者没有配置波长转换器，那么所有这些节点都必须使用同一个波长才能建立此链接(即波长一致性限制)。在本发明中默认的网络环境中是没有配置波长转换器的，因此必须在找到一条空闲的波长用来传送业务。经过路由算法且分配到合适的空闲波长后就可进行数据的传送。图中节点11与节点13中有合适的空闲波长，因此业务从源节点11开始经过节点10传送至目的节点13。

如图2所示，本发明的总体方案。通过将光网络中差异化路由和波长策略的结合，以达到满足QoS优先保证高等级业务RWA实现，提高网络的资源利用率。

如图3所示是本发明的流程图。将光网络中不同的QoS和优先级需求按进行区分，分为三级：高等级业务QoS₁、中等级业务QoS₂和低等级业务QoS₃，业务等级按从高到低为：高等级业务QoS₁>中等级业务QoS₂>低等级业务QoS₃，三级分别对应于不同的物理层信号传输质量且对应的路由算法分别为：改进蚁群算法R₁、备选路由算法R₂、固定路由算法R₃，算法的效率比是：改进蚁群算法R₁>备用路由算法R₂>固定路由算法R₃。

改进蚁群算法R₁：在传统蚁群算法的转移概率中加入了链路空闲率作为约束条件，并引入了非智能蚂蚁以解决传统蚁群算法易收敛于局部最优路径的缺点，从而避免过多业务选择同一链路，从而有效降低整个网络的平均阻塞率。

备用路由算法R₂：在该方案当中，需要预先为每一对源宿节点间计算出多条备选路由，从而组成备选路由集合。由于存在网络的抗毁性因素，一个集合里的多条备选路由是不允许重边的，同时也应该按照一定的顺序加以排列。

固定路由算法R₃：在己知全网拓扑的情况下，采取最短路径的算法(如Dijkstra或Floyed)为每一对源宿节点间计算出一条路由。当连接请求到达的时候，就可以在这条预先计算好的路由上为连接请求分配波长并建立光通道。这种方案的不足之处是，在动态业务情况下，如果出现波长冲突会导致严重的流量阻塞"由于没有替代路由，因此应用FR算法的网络不具备链路故障恢复能力。

考虑到不同的业务的所需的QoS不同，所以有必要多业务进行分级，以满足多样化的业务需求。本专利中采用业务等级分为三级，在有效的区分业务的前提下，复杂度也在可以接受的范围内。其中中等级业务对应普通的业务请求，高等级对应优先的高QoS业务请求，低等级对应对QoS不敏感的业务请求。

设网络节点间的光纤数量为n，每根光纤复用的波长为W，业务分为三个级别：高等级业务QoS₁、中等级业务QoS₂和低等级业务QoS₃，波长组依次命名分为G₁、G₂和G₃。G₁、G₂和G₃为波长分组编号，分别对应于高等级业务QoS₁、中等级业务QoS₂和低等级业务QoS₃。

本具体实施方式主要流程包括步骤有：

步骤1：网络初始化，假设各波长组数：

                                                       (3)

步骤2：业务请求到达，判断该业务是否为高等级业务

：若是使用改进型蚁群算法计算路由后转步骤3，否则转步骤4；

步骤3：判断波长组G₁是否有波长空闲：若是转步骤7，否则转步骤5；

步骤4：判断该业务等级是否为中等级业务QoS₂：若是使用备选路由计算路由后转步骤5，否则用固定路由计算路由后转步骤6；

步骤5：判断波长组G₂是否有波长空闲：若是转步骤7，否则转步骤6；

步骤6：判断波长组G₃是否有波长空闲：若是转步骤7，否则转至步骤8；

步骤7：若可分配的波长数为1，则将该波长分配给业务；若可分配波长数不止1，使用首次命中算法或者随机分配算法为该业务分配波长，转至步骤9；

步骤8：拒绝该业务请求；

步骤9：计算该通道的Q值，判断此通道的Q值是否满足对应等级的门限值Q_threshold。：若是转步骤10，否则转步骤8；

步骤10：开始传送数据。

反映物理层信号传输质量的Q因子：

 ，                        （4）

式中：R为光检测器的灵敏度；

为信道的峰值功率；为线性和非线性噪声均方根功率。光网络中影响信号质量的噪声主要包括自发辐射（ASE）光谱与信号之间的差拍噪声

、交叉相位调制（XPM ）噪声

和四波混频（FWM ）噪声

，因此

可以近似表示为：

                     （5） 

根据不同的业务等级及对应的物理层传输质量可以设置对应不同的门限值Q_threshold，如高等级业务QoS₁设置为Q₁，中等级业务QoS₂和设置为Q₂，低等级业务QoS₃设置为Q₃，各个等级的Q值可根据网络的状况和传送业务的需求设置。

当新的业务请求到达后，光网络控制平面根据业务需求等级调用对应的路由算法。

若光网络中每个节点对之间的光纤数量为n，每根光纤中波长数为W，高等级业务QoS₁、中等级业务QoS₂和低等级业务QoS₃对应波长组分别记为G₁、G₂和G₃ ，在每根光纤中G₁、G₂和G₃所包含的波长数分别为W₁(t)、W₂(t)和W₃(t)，根据不同Q值的业务分布分配W₁(t)、W₂(t)和W₃(t)的值，使之满足：

                   （6）

式中：

。

所述波长分组策略：波长分配时，业务优先选择对应QoS等级业务所属的预设波长组。当业务连接请求在所属波长组内有k(k>1)条可分配波长，使用首次命中（FF）算法或者随机分配（RA）算法分配波长。当对应波长组中k条波长分配完毕，依照以下原则进行分配：

（1）当高等级波长组的波长全部被占用时，依次逐级检测较低等级波长组中是否有可用波长，若可用则直接占用。

（2）若当前等级及其以下等级均无可用波长，则返回阻塞信息。

首次命中（FF）算法：将链路上可用的波长在可用波长集中按固定顺序排列，对于光连接请求要建立的光通路，在选择波长资源时需要按照固定顺序选择未被使用的波长资源"

随机分配（RA）算法：首先搜索每条链路上所有可用波长，构成可用波长集，再从中随机选择波长分配给相应的光链路。

所述的RWA算法可计算出业务所需的光通道（lightpath），由所述可计算出该光通道的Q值，判断此通道的Q值是否大于对应等级的门限值Q_threshold，即对于高等级业务QoS₁有Q>Q₁，中等级业务QoS₂有Q>Q₂，低等级业务QoS₃ 有Q>Q₃。

考察如图1所示的Cernet网络拓扑，即20节点Cernet型网络。此拓扑结构中每条链路均采用4根光纤相连，每根光纤上复用的波长数为9；不同等级的业务等比例随机出现；仿真中分别根据业务等级使用蚁群算法、备份路由算法和固定路由算法为每一个业务请求寻找路由；在波长组内波长分配采用首次命中（FF）算法。假设业务请求按泊松分布到达，无等待队列，一旦请求被拒绝，则丢弃该业务网络中。每个业务在运行一定时间后拆除通道释放波长。图4给出了Cernet网络的性能仿真结果，每个点是多次运算的均值。网络中的业务负荷进行了归一化处理。由图4所示，对于Cernet网络而言，采用路由和波长分组方案，高优业务明显具有较低的阻塞率，低优业务具有较高的阻塞率；随着业务负荷的增加，三种业务的阻塞率均呈上升趋势；当业务负荷到一定程度时，由于业务的动态释放，阻塞率趋于固定值。由图可看出，本发明具有在满足QoS需求的情况下优先保证网络中高等级业务的波长分配，从而降低高等级业务的阻塞率，提高网络总体的资源利用率。

Claims (5)

1.一种支持区分业务的损伤感知路由与波长分配（RWA）方法，应用于由光纤传输系统组成的光网络；

其特征在于：将光网络中不同的业务需求按服务质量需求（QoS）等级进行区分，分为三级：高等级业务（QoS₁）、中等级业务（QoS₂）和低等级业务（QoS₃）；业务QoS等级按从高到低为：高等级业务（QoS₁）>中等级业务（QoS₂）>低等级业务（QoS₃），分别对应于不同的物理层信号传输质量和路由算法，分别为改进蚁群算法（R₁）、备选路由算法（R₂）、固定路由算法（R₃），三种算法的路由效率比是：改进蚁群算法（R₁）>备用路由算法（R₂）>固定路由算法（R₃）；

其特征还包括以下步骤：

步骤1：网络初始化，假设各波长组数：                                               ；

步骤2：业务请求到达，判断该业务是否为高等级业务（QoS₁）：若是使用改进型蚁群算法（R₁）计算路由后转步骤3，否则转步骤4；

步骤3：判断高等级业务（QoS₁）的波长组（G₁）是否有波长空闲：若是转步骤7，否则转步骤5；

步骤4：判断该业务等级是否为中等级业务（QoS₂）：若是使用备选路由算法（R₂）计算路由后转步骤5，否则使用固定路由算法（R₃）计算路由后转步骤6；

步骤5：判断中等级业务（QoS₂）的波长组（G₂）是否有波长空闲：若是转步骤7，否则转步骤6；

步骤6：判断低等级业务（QoS₃）的波长组（G₃）是否有波长空闲：若是转步骤7，否则转至步骤8；

步骤7：若可分配的波长数为1，则将该波长分配给业务；若可分配波长数不止1，使用首次命中算法或者随机分配算法为该业务分配波长，转至步骤9；

步骤8：拒绝该业务请求；

步骤9：计算该通道的Q值，判断此通道的Q值是否大于对应等级业务的门限值（Q_threshold）：若是转步骤10，否则转步骤8；

步骤10：开始传送数据。

2.根据权利要求1所述的一种支持区分业务的损伤感知路由与波长分配方法，其特征在于：

所述的通道Q值定义为反映物理层信号传输质量的Q因子，即有：

 ，                        （1）

式（1）中R为光检测器的灵敏度；

为信道的峰值功率；为线性和非线性噪声均方根功率；

光网络中影响信号质量的噪声主要包括自发辐射（ASE）光谱与信号之间的差拍噪声 

、交叉相位调制（XPM）噪声

和四波混频（FWM）噪声

，因此

可以近似表示为：

 。

3.根据权利要求1所述的一种支持区分业务的损伤感知路由与波长分配方法，其特征在于：

根据三种不同的业务等级对应的物理层传输质量可以设置对应不同的门限值Q_threshold：高等级业务（QoS₁）对应的门限值为Q₁，中等级业务（QoS₂）对应的门限值为Q₂，低等级业务（QoS₃）对应的门限值为Q₃；且有高等级业务（QoS₁）的门限值（Q₁）>中等级业务（QoS₂）的门限值（Q₂）>低等级业务（QoS₃）的门限值（Q₃）。

4.根据权利要求1所述的一种支持区分业务的损伤感知路由与波长分配方法，其特征在于：

所述的步骤9中，该通道的Q值可通过该通道的网络参数计算而得。

5.根据权利要求1所述的一种支持区分业务的损伤感知路由与波长分配方法，其特征在于：

若光网络中每个节点对之间的光纤数量为n，每根光纤中波长数为W，高等级业务（QoS₁）、中等级业务（QoS₂）和低等级业务（QoS₃）对应波长组分别记为G₁、G₂和G₃ ，在每根光纤中G₁、G₂和G₃所包含的波长数分别为W₁(t)、W₂(t)和W₃(t)，根据不同Q值的业务分布分配W₁(t)、W₂(t)和W₃(t)的值，使之满足：

                      （2）

式中：

。

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