CN104901764A - 一种准粗波分复用光网络的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光网络的网络构架技术领域，特别是涉及一种准粗波分复用光网络的设计方法，该设计方法中，光通道的频谱栅格具有预设固定带宽，且该预设固定带宽至少为200GHz(比DWDM光网络中的频谱栅格带宽大，以此有效提高了光网络的频谱效率)；根据实际速率要求和信道物理条件，自适应地选择光通道的调制格式，以此选择最优的调制格式来平衡建设成本和频谱效率(Quasi-CWDM光网络的ROADM节点非常简单，且ROADM节点不需要任何昂贵的灵活栅格波长选择开关，以此有效降低了Quasi-CWDM光网络的建设成本)。以上技术方案有效解决了现有技术中弹性光网络的建设成本高、频谱效率低的技术问题。

Description

一种准粗波分复用光网络的设计方法

技术领域

本发明涉及光网络的网络构架技术领域，特别是涉及一种准粗波分复用光网络的设计方法。

背景技术

当今，光传输系统已从过去的粗波分复用(CWDM)发展到今天的密集波分复用(DWDM)。最近，一个更加灵活和有效的网络体系结构，称为弹性光网络(EON)，EON能提供更高的传输容量来满足足日益增长的通信需求，同时其也能提供较高的频谱效率，减少栅格大小(FS)从而增加光通道的频谱分配的灵活性。

然而，目前的DWDM光网络和EON的相容性是一个非常具有挑战性的问题。使今天的DWDM光网络要演变为EON，需要升级DWDM的网络硬件，比如升级可重构光分插复用器(ROADM)和使用昂贵灵活栅格波长选择开关，导致EON建设成本高。同时，在光通道业务中较少的栅格的情况下，容易产生大量的保护间隔栅格，从而导致频谱效率低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种准粗波分复用(Quasi-CWDM)光网络的设计方法，以解决弹性光网络(EON)的建设成本高、频谱效率低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种准粗波分复用光网络的设计方法，包括：

根据实际速率要求和信道物理条件，自适应地选择光通道的调制格式，以此选择最优的调制格式来平衡建设成本和频谱效率；

其中，所述光通道的频谱栅格具有预设固定带宽，所述预设固定带宽至少为200GHz。

上述设计方法中，可选的，所述根据实际速率要求和信道物理条件，自适应地选择光通道的调制格式，包括：

利用MILP模型对所述光通道的调制格式进行选择，包括：

将所述实际速率要求和信道物理条件作为所述MILP模型的输入，所述MILP模型以最大化整个通信服务的通信需求为第一目标，以最小化建设成本为第二目标，输出所述最优的调制格式。

上述设计方法中，可选的，所述光通道为超级光通道。

上述设计方法中，可选的，所述预设固定带宽为200GHz。

上述设计方法中，可选的，所述准粗波分复用光网络包括至少两个所述光通道，所述至少两个光通道中相邻光通道之间的频率间隔为25Hz。

上述设计方法中，可选的，所述光通道的调制格式包括BPSK、QPSK或者8QAM。

以上本发明提供的Quasi-CWDM光网络的设计方法中，光通道的频谱栅格具有预设固定带宽，并且这个预设固定带宽至少为200GHz(Quasi-CWDM技术能够实现更大的阵列波导光栅的滤波频率间隔,使得本发明中的频谱栅格带宽比DWDM光网络中的频谱栅格带宽大，以此有效提高了光网络的频谱效率)，根据实际速率要求和信道物理条件，自适应地选择光通道的调制格式，以此选择最优的调制格式来平衡建设成本和频谱效率(基于：对于在Quasi-CWDM上的IP光网络，一定距离的光通道，不同的调制格式需要不同数量的IP路由器和再生器)。其中，Quasi-CWDM光网络与EON相比，具有一个关键的优势：Quasi-CWDM光网络的ROADM节点非常简单，类似DWDM网络，并且ROADM节点不需要任何昂贵的灵活栅格波长选择开关，以此有效降低了Quasi-CWDM光网络的建设成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例的流程图；

图2为本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例中的光通道频谱对比图；

图3为本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例中的在Quasi-CWDM上的IP网络架构；

图4为本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例中调制格式和传输距离之间的平衡示意图；

图5为本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例中在IP层实现再生的示意图；

图6为本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例中在光层实现再生的示意图；

图7为本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例中的通信需求与网络总成本的MILP结果示意图；

图8为本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例中的带宽阻塞概率与FS_min的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种准粗波分复用(Quasi-CWDM)光网络的设计方法，以解决现有技术中弹性光网络(EON)的建设成本高、频谱效率低的技术问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参考图1，示出了本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例的流程图，该方法具体可以包括如下步骤：

步骤S100、确定实际速率要求和信道物理条件；

其中，实际速率是指光通道的容量每秒可以传输的数据大小；信道物理条件在本发明中指光通道的物理距离。

步骤S101、根据实际速率要求和信道物理条件，自适应地选择光通道的调制格式，以此选择最优的调制格式来平衡建设成本和频谱效率；其中，所述光通道的频谱栅格具有预设固定带宽，所述预设固定带宽至少为200GHz。

本发明中，光通道的调制格式可以为BPSK，也可以为QPSK或者8QAM，还可以是其他调制格式，此处不做严格限定。当然，在实际应用中，在上述各种调制各种中，具体要选定哪一种调制格式，是由步骤S101的执行内容来决定的。

本发明中，所述预设固定带宽可以为200GHz。当Quasi-CWDM光网络包括至少两个光通道时，这些至少两个光通道中相邻光通道之间的频率间隔可以为25Hz。当然，上述预设固定带宽、相邻光通道之间的频率间隔的数值仅仅是举个例子，此处也不做严格限定，具体的取值可由本领域人员根据实际需求进行设定。

本发明实施例所提供的技术方案中的光通道可以为超级光通道，这也迎合了超级光通道将主导未来的光传输网络的发展趋势。

在步骤S101中，一个混合整数线性优化模型被提出来最大化整个服务的IP通信请求，即利用MILP(混合整数线性规划)模型对所述光通道的调制格式进行选择，具体地，将所述实际速率要求和信道物理条件作为所述MILP模型的输入，所述MILP模型以最大化整个通信服务的通信需求为第一目标，以最小化建设成本为第二目标，输出所述最优的调制格式。

本发明提出了一种频谱高效、成本低的新的光传输网络架构，即Quasi-CWDM光网络的设计方法，其中，Quasi-CWDM光网络为基于Quasi-CWDM传输技术的下一代光传输网络：

一方面，频谱高效：所有建立的渠道为具有预设固定带宽的光通道，并且这个预设固定带宽至少为200GHz(比DWDM光网络中的频谱栅格带宽大)。需要指出的是，尽管Quasi-CWDM技术在DWDM网络类似于混合线路速率技术，但是Quasi-CWDM光网络比DWDM网络具有更大的频谱栅格，这是由于阵列波导光栅的滤波频率间隔在Quasi-CWDM技术下变的更大，例如200GHz或400GHz。这大大提高光网络的频谱效率，对未来的超级信道控制光网络非常有效。

对于本发明设计提供的Quasi-CWDM光网络与其他技术的光网络(CWDM、DWDM及Flexi-grid)的光通道频谱对比图请参照图2，在图2中，显然Quasi-CWDM光网络的频率间隔较其他技术光网络的频率间隔都大。

另一方面，成本低：根据实际速率要求和信道物理条件，自适应地选择光通道的调制格式，以此选择最优的调制格式来平衡建设成本和频谱效率。对于在Quasi-CWDM上的IP光网络，一定距离的光通道，不同的调制格式需要不同数量的IP路由器和再生器，具体情况可以参照表1和表2，其中，BPSK再生器成本归一化为1单位，且，假设同一种调制格式下一个路由器端口的成本是任何一个再生器的2倍。

表1 不同调制格式的传输距离和硬件成本

表2 不同调制格式对IP路由器端口和再生器数目的需求

图3示出了本发明提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法实施例中的在Quasi-CWDM上的IP网络架构，其包括IP层和Quasi-CWDM光层。其中，每个节点包括一对核心路由器和Quasi-CWDM ROADM节点设备；IP层由IP路由器节点和虚拟链路组成；光层由ROADM节点和光纤链路组成。如若建立一个路径，在IP层需要两个IP路由器端口和在光层需要的零个或多个信号再生器。Quasi-CWDM网络规定超级通道的频谱栅格至少为200GHz。每个光通道的调制格式可以自适应地选择。从表1中，我们可以看出光通道所使用的调制格式和光通道物理距离之间的关系，从表2中，我们可以看出不同调制格式的再生器和IP路由器端口的相对成本。

针对上述提到的一定距离的光通道，不同的调制格式需要不同数量的IP路由器和再生器，我们举个例子：

在图4中，我们假设节点N1和N2之间有800GB/s的通信需求，并且假定Quasi-CWDM光网络的频谱栅格为200GHz、相邻光通道间隔为25GHz。根据表1的传输距离信息，BPSK不需要任何装置，但它具有最低的信道容量(即175GB/s)。相比之下，8QAM具有最高的信道容量(即525GB/s)，但最需要的信号再生器最多。表2显示不同调制格式所需IP路由器端口和再生器，以及总成本。从中我们可以看到，选择最优的调制格式来平衡成本和频谱效率的重要性。

进一步地，针对在在Quasi-CWDM上的IP网络，利用MILP模型对所述光通道的调制格式进行选择，我们的目标是设计服务的通信需求最大化的在Quasi-CWDM上的IP网络，同时最小化由IP路由器端口和信号再生器组成的硬件成本，下面进行更详细的叙述：

首先，给定的输入如下：

(1)一个网络的物理拓扑结构Gp＝(N,E)，其中N是节点的集合，E是网络链接的集合；

(2)在节点对(s，d)通信需求矩阵[T^sd]，以GB/s单位；

(3)使用第f^th调制格式，一个再生器成本和一个IP路由器端口成本其中，和是使用第f^th调制格式的一个IP路由器端口和一个再生器的成本；

(4)在每个光纤链路的频谱资源有限。

其次，依据上述输入发展MILP模型，目标(Objective)为使以下公式达到最大化：

${\Σ}_{j\∈N:i\≠j}{\mathrm{\λ}}_{ij}^{sd}-\mathrm{\α}({\Σ}_{i\∈N,f\∈F}{C}_{IP}^f\·N_{IP}^{i,f}+{\Σ}_{f\∈F,i,j,\∈N:i\≠j}{C}_R^f\·N_R^{ij,f})$     ①

具体地，拆分为两个目标：第一目标：最大化整个服务的通信需求；第二目标：最小化整个IP路由器端口和再生器成本。更具体地，利用以下公式算法②～⑨实现上述两个目标：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}^{sd}\≤T^{sd}& \∀s,d\∈N:s\≠d\end{array}$               ②

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_{ij}^{sd}={\mathrm{\λ}}_{ji}^{ds}& \∀s,d,i,j\∈N:s\≠d,i\≠j\end{array}$                ③

$\begin{array}{cc}\underset{j\∈N}{\Σ}{V}_{ij}^f=N_{IP}^{i,f}& \∀i\∈N,f\∈F\end{array}$               ④

$\begin{array}{cc}{V}_{ij}^f=\underset{w\∈W}{\Σ}{\mathrm{\δ}}_w^{ij,f}& \∀i,j\∈N:i\≠j,\∀f\∈F\end{array}$             ⑤

$\begin{array}{cc}{N}_R^{ij,f}=R_{ij}^f\·V_{ij}^f& \∀i,j\∈N:i\≠j,\∀f\∈F\end{array}$            ⑥

$\begin{array}{cc}\underset{j\∈N:i\≠j}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{ij}^{sd}-\underset{j\∈N:i\≠j}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{ij}^{sd}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}^{sd}i=s\\ -{\mathrm{\λ}}^{sd}i=d\\ \begin{array}{cc}0& otherwise\end{array}\end{array}\right\}& \∀s,d,i\∈N:s\≠d\end{array}$      ⑦

$\begin{array}{cc}\underset{s,d\∈N:s\≠d}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{ji}^{sd}\≤\underset{f\∈F}{\Σ}{C}^f\·V_{ij}^f& \∀i,j\∈N:i\≠j\end{array}$             ⑧

$\begin{array}{cc}\underset{f\∈F,i,j\∈N:i\≠j}{\Σ}{\mathrm{\δ}}_w^{ij,f}\·{\mathrm{\θ}}_{mn}^{ij}\≤1& \∀w\∈W,m\∈N,n\∈N_i\end{array}$              ⑨

上述公式中，各指数、符号集、参数及变量如下：

S为源节点IP流量的指数，D为目的节点IP流量的指数，在光路的虚拟拓扑上路由；i、j为在光路的虚拟拓扑上节点的索引，光路在两个节点之间建立需要一对路由器端口；N_i是在物理拓扑中节点i的相邻节点集。F是调制格式的集合，包括BPSK，QPSK，和8QAM。W是每个光纤链路的波长的集合。λ^sd是节点对之间的服务的通信需求，以GB/s为单位。是必需的再生器数目以固定的最短路径为光路的虚拟链路(i，j)且采用第f^th调制格式，我们假设每个虚拟链路均以最短路径为光路的虚拟链路；

C^f是一个Quasi-CWDM光纤通道用f^th调制格式的速率；对于当物理链路(m，n)是被虚拟链路(i，j)使用时，其值为1，否则为0。α是权重因子。是一个变量，用来表示节点(S，D)之间通过虚拟链路(i，j)通信需求。是一个变量，用来表示虚拟链路的数目(i，j)使用第f^th调制格式的光纤通道数目。为节点i使用第f^th调制格的IP路由器端口数目。为虚拟链路之间使用第f^th调制格式的再生器数目。对于虚拟链路的光通道(I，J)在波长w上采用第f^th调制格式时，其值为1，否则为0。

更进一步地，在Quasi-CWDM上的IP光网络中，信号再生可以在IP层中实现，也可以在光层实现。其一，图5示出了在IP层信号再生的示意图，信号再生通过使用一个中间路由器打断一个光通道来实现，以此使更多的流量需求能够被加载到已经建立的光通道。然而，上述方案的缺点是需要在中间节点增加两个额外且昂贵的IP路由端口，增加了设备成本。其二，信号再生的另一种方法是再生信号在光层，如图6所示，它只需要一对光电转换器，通常比IP层再生便宜。然而，在光层的信号再生不允许额外的流量疏导，即使其他光通道可以利用。这样的再生导致了频谱使用的低效。因此，选择不同的光通道信号再生方式以达到最佳的网络设计是非常重要的。对于是选择在IP层实现再生，还是选择在光层实现再生，本领域技术人员可根据上述分析及实际情况进行选定，本发明不做严格限定。

本发明中，针对上述实施例提供的Quasi-CWDM光网络的设计方法得到的Quasi-CWDM光网络，做了相应的性能评估，具体内容如下：

一、基于动态亚波长流量疏导的频谱效率评估

评估在Quasi-CWDM上的IP网络的频谱效率，我们可以考虑使用Quasi-CWDM光网络提供动态的子波长业务。P流量不同服务请求到达服从泊松分布和IP流量保持时间服从指数分布。带宽的IP流量的阻塞概率作为比较标准，即阻塞的贷款比上请求的总带宽。

我们采用传统的多跳的流量疏导方案通过现有的剩余光通道容量为IP服务请求建立。只有剩下的容量不足以容纳一个IP流量，我们将寻求建立一个新的节点提供IP业务服务之间的直接路径。为简单起见，我们在节点对之间的最短路径上寻找足够的空闲频谱资源建立一个光通道，并根据其物理距离选择最有效的调制格式。如果没有足够的空闲频谱资源，我们阻塞该IP流量需求。在疏导过程中，IP流量可以通过不同的路线拆分到多个连接。对于IP流量需求的释放，我们从网络释放所消耗的网络资源来删除的IP流量。如果一个IP流量的去除使光通道上无任何IP流量，我们也将在光层释放的光通道

二、性能评估

我们考虑了两种测试网络：(1)一个六节点，九链接(n6s9)网络；(2)14个节点，21链接NSFNET网络。每个光纤链路上假设4000GHz，这相当于80个的50GHz光通道。两相邻光通道之间需要一个25GHz。三种调制格式，即BPSK、QPSK及8QAM。对应的IP路由器端口和信号再生器成本如表1所示。

(1)静态交通需求

在这种情况下，n6s9网络每个节点对之间的IP流量需求是在(400，2000)GB/s的范围内随机生成和NSFNET网络在(400，1000)GB/s范围内随机生成。我们用商业软件AMPL/gurobi解决MILP模型。频率间隔从50GHz(DWDM)，到100GHz(DWDM)，到200GHz(准CWDM)，和400GHz(Quasi-CWDM)。

图7显示MILP结果，“STD”是指完成的通信需求和“TC”是指网络总成本。我们可以看到，随着频谱栅格大小的增加，完成的流量需求增加。在有限频谱资源的情况下，较大的频率栅格需要更少的保护频带，这是合理的。例如，在4000GHz频谱光纤上，200GHz的频率间隔要求20保护护频，在100GHz的频率间隔需要40保护带。因此，Quasi-CWDM网络具有更高的频谱，比DWDM网络高效。此外，总成本的降低也在图7中可以观察到，这意味着更大的频率栅格也可以降低网络成本。

(2)动态交通需求

我们在动态IP流量需求下也对在Quasi-CWDM上IP网络的性能进行了评估。将其来和EON网络进行了对比。对EON网络，我们假设每个光纤上有320个FSs个，且每个FS具有12.5GHz。每个节点对之间的通信负载为5Erlang。每个到达的IP流量带宽是在一个范围内的(10，100)GB/s随机产生，每个通道带宽有最小值FS_min和最大值16FSs(相当于200GHz)。对每一个弹性通道设置的最小数目的FSs的目的是避免保护频带太多浪费频谱资源。如果通道的有效带宽太小，保护频带相对浪费将升高。动态模型仿真10⁵个IP流量到达事件。

图8显示了随着FS_min的增加带宽阻塞概率的变化。注意，当FS_min等于16，这意味着一个光信道分配的FSs的最小和最大值是相等的。这就相当于Quasi-CWDM的情况，每一个光通道是一个200GHz的超级光通道。我们看到，随着FS_min变大，IP流量的带宽阻塞概率降低，当网络配置为Quasi-CWDM光网络(即，FS_min＝16)，带宽阻塞概率是最低的，这意味着Quasi-CWDM网络容量效率高于EON。

综上，我们提出了一个新的具有频谱高效和成本节约的准粗波分复用(Quasi-CWDM)网络架构。近似于传统的DWDM网络，新的网络架构不需要昂贵的灵活山歌栅格波长选择开关，但通过使用至少200GHz大小的固定的准粗波分复用栅格，能支持超级光通道。在Quasi-CWDM网络中的超级光通道，其调制格式可以根据速率要求和信道物理条件灵活的选择，其中，一个混合整数线性优化模型被提出来最大化整个服务的IP通信请求。我们从成本角度已经评估了Quasi-CWDM网络架构，且估算了Quasi-CWDM网络在频谱使用的效率，同时也考虑在IP over Quasi-CWDM网络的子波长流量疏导。另外，频谱效率通过动态仿真来计算带宽阻塞率。结果表明，Quais-CWDM网络具有更高的频谱效率和更低的硬件成本。

以上对本发明所提供的一种准粗波分复用光网络的设计方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种准粗波分复用光网络的设计方法，其特征在于，包括：

根据实际速率要求和信道物理条件，自适应地选择光通道的调制格式，以此选择最优的调制格式来平衡建设成本和频谱效率；

其中，所述光通道的频谱栅格具有预设固定带宽，所述预设固定带宽至少为200GHz。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述根据实际速率要求和信道物理条件，自适应地选择光通道的调制格式，包括：

利用MILP模型对所述光通道的调制格式进行选择，包括：

将所述实际速率要求和信道物理条件作为所述MILP模型的输入，所述MILP模型以最大化整个通信服务的通信需求为第一目标，以最小化建设成本为第二目标，输出所述最优的调制格式。

3.如权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于，所述光通道为超级光通道。

4.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述预设固定带宽为200GHz。

5.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述准粗波分复用光网络包括至少两个所述光通道，所述至少两个光通道中相邻光通道之间的频率间隔为25Hz。

6.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述光通道的调制格式包括BPSK、QPSK或者8QAM。