CN103812790A - 一种灵活光网络中调制格式自适应的路由和频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调制格式自适应的RSA方法，该方法包括：计算多种调制格式的信号在相同传输速率下的最长传输距离；当有连接请求到达网络时，利用最短路径路由算法和首次命中(FF)频谱分配算法为其计算k条光路；对于某个连接请求，首先依次取出其最短路径上两相邻节点之间的距离d，并将其和计算出的最长传输距离进行比较；根据比较结果选择调制格式；根据所选择的调制格式，在满足频谱连续性与邻接性的双重约束条件下分配频谱资源，建立连接。本发明的技术方案通过间接考虑物理损伤影响，进行调制格式自适应的路由和频谱分配，适用于灵活光网络。

Description

一种灵活光网络中调制格式自适应的路由和频谱分配方法

技术领域

本发明涉及一种用于灵活光网络中的RSA(Rout ing and SpectrumAssignment，路由和频谱分配)方法，具体地，涉及一种综合考虑物理层损伤的影响计算传输距离，根据不同的传输距离选择合适的调制格式进行路由和频谱分配的方法，属于光通信技术领域。

背景技术

近年来，光网络正在向着高速、动态、灵活、透明化方向发展，受物理损伤的影响，不同光层的物理属性配置决定着相应光路对物理损伤的承受能力，如采用先进调制格式的信道更容易受物理损伤的影响，其传输信号的质量会受到更严重的劣化。为了保证光信号的QoT(Quality of Transmission，传输质量)，网络应动态地进行光层物理属性的调整，适应不断发展的业务需求，提高网络性能。而OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术可以根据业务QoT需求及网络状态的变化对端口的速率、调制格式和频谱资源进行动态调节。路由和频谱分配(RSA)算法作为灵活光网络中的光路资源分配技术，可以根据用户的实际需求合理地分配对应不同光信号质量的光路资源。因此，在基于OFDM的灵活光网络中，利用RSA技术，可以在规避物理层损伤的同时，有效地提高频谱资源利用率，降低全网阻塞率。

在灵活光网络中，利用RSA算法在解决调制格式自适应的传输需求时，通常进行路由计算和频谱选择分配两个过程，其过程为首先利用路由算法计算从源节点到目的节点的可用路径，然后利用频谱分配算法在其中选择一条具有连续频谱资源的路径建立光路，传输光信号。在建立传输距离模型时，可以考虑物理损伤对光信号的影响，使得通过RSA过程得到的光路必须满足物理损伤约束条件；且可根据传输距离的不同，自适应地选择调制格式，从而实现了在保证传输质量的同时，提高频谱资源利用率。

目前调制格式自适应的RSA算法主要存在以下缺点：1)在路由过程中对物理层损伤的考虑不够全面，不能很好地满足业务的QoT需求；2)在频谱分配过程中，选择调制格式时，对于最长传输距离的确定，没有给出特定的模型。因此，不能很好地满足灵活光网络中的传输需求，所以如何根据业务的QoT需求，考虑物理损伤约束，自适应地选择合适的调制格式，从而进行弹性带宽分配，降低物理损伤的影响，已成为业内人员研究的重点。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种适用于灵活光网络中，通过间接考虑物理损伤影响，进行调制格式自适应的路由和频谱分配方法。该方法较为全面地考虑物理层损伤，建立了最长可达传输距离模型，在此基础上，根据网络中两节点间的不同距离，自适应地选择合适的调制格式，进行路由和频谱分配过程。这样既满足了业务的QoT需求，又提高了网络资源利用率。

本发明采用下述的技术方案：

一种调制格式自适应的RSA方法，该方法包括如下步骤：

1)计算N种调制格式M1，M2，…，MN-1，MN的信号在相同传输速率下的最长传输距离，分别记为D_M1，D_M2，…，D_MN-1，D_MN，且D_M1≤D_M2≤…D_MN-1≤D_MN；

2)当有连接请求到达网络时，利用最短路径路由算法和首次命中(FF)频谱分配算法为其计算k条光路，将k条光路按照路径距离从小到大编号，编号依次为1，2，…k；

3)对于某个连接请求，首先依次取出其最短路径上两相邻节点之间的距离d，并将其和步骤1)中计算出的D_M1，D_M2，…，D_MN-1，D_MN进行比较；

4)根据比较结果选择调制格式；

5)分配频谱资源，建立连接。

特别地，在步骤4)中，如果d≤D_M1，则选择M1调制；如果D_M1＜d≤D_M2，则选择M2调制；…；如果D_MN-1＜d≤D_MN，则选择MN调制。

进一步地，分配频谱资源包括：

5.1)按照光路编号从小到大依次遍历，当第i条光路有合适的调制格式可选择时，则建立连接；如果k条光路均没有可选择的调制格式，则阻塞连接；

5.2)由于在连接建立的过程中，必须满足频谱连续性与邻接性的双重约束条件，如果在第i条光路上，不存在满足连接需求的可分配的连续频谱资源，则连接阻塞。

特别地，调制格式可以为BPSK，QPSK和16QAM三种。

可以利用式1计算BPSK的最长传输距离：

$D\left[\mathrm{km}\right]=\frac{1}{2}[-804.3\ln \left(\mathrm{BR}\right[\mathrm{Gb}/s\left]\right)+5584.6]$     (式-1)

其中，D为传输距离，BR为传输速率；

其他调制格式信号的最长传输距离采用半距离法得出，即调制阶数每增加1位，受信噪比影响，传输距离就减半。

分配频谱资源时可以按照下式计算各种调制格式下所需的频隙数：

    (式-2)

其中，B为连接请求带宽，单位是b/s，B_mod是所选调制格式的频谱效率，本发明中均按理论最高值计算，单位是b/s/Hz，S_slot是频隙间隔，单位是Hz。

本发明具有如下优点：采用本发明的方法，较好地避免了物理层损伤对光信号传输质量的影响，建立了传输距离模型；实现了调制格式自适应选择，降低了网络阻塞率，提高了网络资源利用率；适用于未来灵活光网络中业务多样性及高速率传输的需求。

附图说明

图1为8节点拓扑结构图；

图2示出了采用图1所示拓扑，传统RSA方法和本发明所述方法在频谱资源利用率方面的比较；以及

图3为本发明采用图1所示拓扑在不同频隙间隔下的阻塞率性能仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先较为综合地考虑物理损伤影响，包括光纤损耗，交叉相位调制(XPM)，四波混频(FWM)和串扰(XT)及光信号经过带宽可变波长交叉连接器(BV-OXC)时的损伤，建立了传输距离模型，如式1所示：

$D\left[\mathrm{km}\right]=\frac{1}{2}[-804.3\ln \left(\mathrm{BR}\right[\mathrm{Gb}/s\left]\right)+5584.6]$     (式-1)

其中，D为传输距离，BR为传输速率。BPSK调制信号所能传输的最长距离可利用式1计算。其他调制格式信号的最长传输距离采用半距离法得出，即调制阶数每增加1位，受信噪比影响，传输距离就减半。

本发明采用的调制格式有三种：BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制移相键控法)，QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，四相相移键控法)，16QAM(16-Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制法)。利用式1分别计算三种调制格式信号在相同传输速率下的最长传输距离，记为D_BPSK，D_QPSK，D_16QAM；

在有连接请求到达网络时，路由过程中采用最短路径算法为连接请求计算路径。对于频谱分配过程，采用首次命中算法。首先按照式2计算光信号分别在BPSK，QPSK，16QAM三种调制格式下所需的频隙数。若满足频谱连续性(即一条路径上的各段链路分配的频谱资源相同)和邻接性(即为每个连接请求分配若干连续的频隙资源)条件，则为连接请求分配资源，否则，阻塞连接。

    (式-2)

其中，B为连接请求带宽(b/s)，B_mod是所选调制格式的频谱效率，本发明中均按理论最高值计算，对于BPSK，QPSK，16QAM，分别为1b/s/Hz，2b/s/Hz，4b/s/Hz，S_slot是频隙间隔(Hz)。

为每个连接请求计算k条光路，将k条光路按照路径距离从小到大编号，编号依次为1，2，…k；对于某个连接请求，首先依次取出其最短路径上两相邻节点之间的距离d，并将其和利用式1计算出的D_BPSK，D_QPSK，D_16QAM进行比较；根据比较结果，如果d≤D_16QAM，则选择16QAM调制；如果D_16QAM＜d≤D_QPSK，则选择QPSK调制；如果D_QPSK＜d≤D_BPSK，则选择BPSK调制。

按照光路编号从小到大依次遍历，当第i条光路有合适的调制格式可选择时，则建立连接；如果k条光路均没有可选择的调制格式，则阻塞连接。

下面结合附图进一步说明本发明。

图1为8节点拓扑结构。节点集合用V表示，链路集合用E表示。其中，V＝{V₁，V₂，…，V₈}；E＝{e_ij}，i＝1，2，…，8；j＝1，2，…，8。且图中各节点之间的数字为两节点间的链路长度，单位为km。

图2采用图1的拓扑来说明本发明的技术方案在频谱资源利用率方面的优势。其中，采用的频宽为4.475THz，频隙间隔S_slot是12.5GHz，因此频隙数为358。假设连接请求为V₁→V₇，即源节点为V₁，目的节点为V₇。通过最短路径路由算法得出节点V₁到节点V₇的最短路径为V₁→V₄→V₅→V₇。若采用传统的RSA方法，在请求经过的各个链路上均使用单一调制格式，如BPSK调制，按照式2，B_mod＝1b/s/Hz，假设B为40Gb/s，计算得出所需的频隙数为4，则采用首次命中频谱分配算法进行频谱分配的情况如图2(a)所示，连接请求在每条链路上所需的频隙数相同。

若采用本发明的调制格式自适应的RSA方法，可根据两节点之间的距离自适应地选择合适的调制格式，具体如下：假设传输速率为40Gb/s，首先根据式1计算出采用BPSK调制时所能传输的最长距离D_BPSK约为1300km；然后采用半距离法得到采用QPSK和16QAM调制时的最长传输距离D_QPSK，D_16QAM分别为650km和162.5km；由图1可知，通过最短路径路由算法得出节点V₁到节点V₇的最短路径为V₁→V₄→V₅→V₇，即连接请求V₁→V₇要经过两个中间节点，即节点V₄和V₅。路径上两个相邻节点之间的距离d₁₄，d₄₅，d₅₇分别为720km，360km和150km。由于D_QPSK＜d₁₄＜D_BPSK因此链路V₁→V₄选择BPSK调制；而D_16QAM＜d₄₅＜D_QPSK，因此链路V₄→V₅选择QPSK调制；d₅₇＜D_16QAM，因此链路V₅→V₇选择16QAM调制；所以从V₁→V₇的连接请求选择了BPSK，QPSK和16QAM三种调制格式。而对于不同的调制格式，其所需的频隙数也不同，可按照式2计算，对于BPSK，QPSK，16QAM三种调制格式，其所需的频隙数分别为4，2，1。频谱分配情况如图2(b)所示。这就可以大大地节约频谱资源，提高资源利用率。由于节约的频谱资源可以为其他请求所用，因此可降低请求阻塞率，提高网络性能。

本发明在基于OFDM技术的灵活光网络背景下，通过路由和频谱分配技术实现了调制格式自适应过程，在网络性能上具有以下优点：1、算法较为全面地考虑物理层损伤对光信号传输质量的影响，建立了传输距离模型，基于该模型得到光信号采用不同调制格式的最长传输距离，实现了调制格式的自适应选择，从而在规避物理损伤的同时，降低了阻塞率，提高了频谱资源利用率；2、基于灵活光网络中可采用不同频隙间隔(如6.25GHz，12.5GHz，25GHz等)的特点，算法考虑了不同频隙间隔下的阻塞率性能，由于在相同的频宽下(如4.475THz)，频隙间隔越小，频隙数就越大，因此提高了新到达网络的连接请求成功建立的可能性，有效降低了网络阻塞率。申请人利用计算机仿真对此进行了验证，在图1所示的拓扑下的仿真结果如图3，其中SW表示频隙间隔。

本发明的技术方案适用于任何网络拓扑，根据实际情况可以选择多种不同的调制格式，以提高网络资源利用率。由于频隙间隔减小能够有效降低网络的阻塞率，所以本发明的RSA方法更适用于解决频隙间隔较小(如6.25GHz)的灵活光网络中的资源分配问题。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种调制格式自适应的RSA方法，该方法包括如下步骤：

1)计算N种调制格式M1，M2，…，MN的信号在相同传输速率下的最长传输距离，分别记为D_M1，D_M2，…，D_MN-1，D_MN，且D_M1≤D_M2≤…D_MN-1≤D_MN；

2)当有连接请求到达网络时，利用最短路径路由算法和首次命中(FF)频谱分配算法为其计算k条光路，将k条光路按照路径距离从小到大编号，编号依次为1，2，…k；

3)对于某个连接请求，首先依次取出其最短路径上两相邻节点之间的距离d，并将其和步骤1)中计算出的D_M1，D_M2，…，D_MN-1，D_MN进行比较；

4)根据比较结果选择调制格式；

5)分配频谱资源，建立连接。

2.根据权利要求1的方法，所述步骤4)包括：

如果d≤D_M1，则选择M1调制；如果D_M1＜d≤D_M2，则选择M2调制；…；如果D_MN-1＜d≤D_MN，则选择MN调制。

3.根据权利要求1或2的方法，所述步骤5)包括：

5.1)按照光路编号从小到大依次遍历，当第i条光路有合适的调制格式可选择时，则建立连接；如果k条光路均没有可选择的调制格式，则阻塞连接。

4.根据权利要求3的方法，所述步骤5)进一步包括：

5.2)由于在连接建立的过程中，必须满足频谱连续性与邻接性的双重约束条件，如果在第i条光路上，不存在满足连接需求的可分配的连续频谱资源，则连接阻塞。

5.根据权利要求1或2的方法，所述调制格式为BPSK，QPSK和16QAM三种。

6.根据权利要求5的方法，所述步骤5)包括：

5.1)按照光路编号从小到大依次遍历，当第i条光路有合适的调制格式可选择时，则建立连接；如果k条光路均没有可选择的调制格式，则阻塞连接。

7.根据权利要求6的方法，所述步骤5)进一步包括：

5.2)由于在连接建立的过程中，必须满足频谱连续性与邻接性的双重约束条件，如果在第i条光路上，不存在满足连接需求的可分配的连续频谱资源，则连接阻塞。

8.根据权利要求1的方法，所述最长传输距离为利用式1计算BPSK的最长传输距离：

$D\left[\mathrm{km}\right]=\frac{1}{2}[-804.3\ln \left(\mathrm{BR}\right[\mathrm{Gb}/s\left]\right)+5584.6]$     (式-1)

其中，D为传输距离，BR为传输速率；

其他调制格式信号的最长传输距离采用半距离法得出，即调制阶数每增加1位，受信噪比影响，传输距离就减半。

9.根据权利要求1，4，6中任一的方法，分配频谱资源时可以按照下式计算各种调制格式下所需的频隙数：

    (式-2)

其中，B为连接请求带宽，单位是b/s，B_mod是所选调制格式的频谱效率，本发明中均按理论最高值计算，单位是b/s/Hz，S_slot是频隙间隔，单位是Hz。

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