CN105634954B - 基于wson网络考虑光损伤的最短路径计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法，包括以下步骤：在接收到路径请求后，根据基于路由扩展模型的物理损伤感知RWA模型，使用KSP最短路径算法计算出从源节点到宿节点满足资源约束的K条最短路径；依次将上述K条最短路径的光损伤参数与光损伤参数的物理门限进行比较；最后在光损伤参数的物理门限范围内选择一条满足资源约束和物理损伤约束的最优路径。本发明在不需要重构路由计算核心算法的基础上，提高了建路成功率，降低了连接阻塞率，提高了网络的服务质量，应用在WSON网络中，将产生较大的经济效益。

Description

基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法。

背景技术

WSON网络是基于WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)传送网的ASON(Automatically Switched Optical Network,自动交换光网络)，通过将控制平面引入波长网络，采用GMPLS(Generalized Multiprotocol Label Switching,通用多协议标志交换协议)和路径计算单元等控制平面技术，实现波长路由的动态调度，实现波长调度的智能化，提高WDM网络调度的灵活性和网络管理的效率。

在WSON网络中，为了建立一条连接(采用某个波长的光通道)，需要确定一条路由(即要经过的链路和节点)。目前采用的路由和波长分配方案是基于路由扩展的控制模型，在计算完路由并分配完波长后，触发信令模块，完成分布式资源预留过程，如果预留过程不成功，则光路建立失败。

在WDM网络中，光路能够建立成功，主要受到两个方面的影响：资源约束(如波长、保护类型、交换类型、编码方式)和物理损伤约束。资源约束可以分解为光路所经过的节点和链路是否满足这些约束，而物理损伤约束是一个累积的过程。在WDM网络中，如果不进行光电转换和电信号再生，传输过程中的一些信号物理损伤便会累积起来，降低信号传输质量，限制传输距离。这些信号物理损伤因素包括：光纤衰减、器件插损、放大器自发辐射噪声、色度色散、偏振模色散和偏振相关损耗。因此，如果要想进一步提高建路的成功率，还需要将这些物理损伤累积量与可靠传输下对应的物理门限值进行比较，作为选择建路的标准和依据。

目前的最短路径算法只是考虑了资源约束，如传统的最短路径算法采用的是Dijkstra算法，在计算最短路径的过程中，判断路径所经过的节点和链路是否满足资源约束，不满足的将会被排除在最短路径之外。但是物理损伤约束是一个累积的过程，只有计算出了整条最短路径，才能准确的计算出整条光路的物理损伤，原有的Dijkstra算法已经无法满足要求。

由此可见，当需要考虑物理损伤对光路的影响时，需要对现有路由的波长与波长分配进行改进，使计算得到的波长路径尽可能的能够满足物理损伤约束条件，以减少重复路由的计算次数，提高建路成功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是传统的最短路径算法Dijkstra算法无法计算出满足物理损伤约束的最短路径，从而影响建路成功率的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法，包括以下步骤：

步骤S1：在接收到路径请求后，根据基于路由扩展模型的物理损伤感知RWA模型，使用KSP最短路径算法计算出从源节点到宿节点满足资源约束的K条最短路径；

步骤S2：依次将上述K条最短路径的光损伤参数与光损伤参数的物理门限进行比较；

步骤S3：最后在光损伤参数的物理门限范围内选择一条满足路由约束的最优路径；

步骤S1的具体步骤如下：

步骤S101：初始化两个路径集合A和B，最短路径集合A存放计算出的最短路径，候选路径集合B存放计算出的候选路径；

步骤S102：使用传统的路由算法Dijkstra算法计算出源节点R₁到宿节点R_d之间的一条最短路径P₁＝{R₁，R₂，R₃，…，R_d}，将路径P₁放到最短路径集合A中；

步骤S103：采用同样的方式计算出源节点R₁到宿节点R_d之间的前K条路径{P₁，P₂，…，P_k}；

步骤S104：根据以下两个条件找到节点R_i到宿节点R_d之间满足以上两个条件的最短路径，将该最短路径与当前路径P_k上从源节点R₁到节点R_i的路径拼接在一起构成路径P_k+1的一条候选路径，并将其存放在候选路径集合B中；

条件一：该路径不能通过当前最短路径P_k上从源节点R₁到节点R_i之间的任何节点；条件二：从节点R_i分出的边不能与之前找到的最短路径{P₁，P₂，…，P_k}上从节点R_i上分出的边相同；

步骤S105：从候选路径集合B中选择最短的一条作为路径P_k+1，并将其放到最短路径集合A中；

重复步骤S102-步骤S105，直到得到K条最短路径为止。

在上述技术方案中，从所述候选路径集合B中选择最优的路径以metric最小为依据。

在上述技术方案中，所述光损伤参数包括信噪比OSNR、色度色散CD和偏振模色散PMD。

在上述技术方案中，所述信噪比OSNR的计算公式如下：

其中，P_out(dB)-10logM为输出光功率，M为单根光纤中的最大波长数；G_N＝10^g(N)/10为发送端OBA的增益；F_N＝10^Nf/10为噪声指数；L_N为跨段衰耗；Δ_N＝10^g(N)/10×10^l(N)/10。

在上述技术方案中，所述色度色散CD的计算公式如下：

其中，为光纤的色度色散系数，L 为光纤长度，所述色度色散CD可通过色散补偿光纤进行补偿。

在上述技术方案中，所述偏振模色散PMD的计算公式如下：

其中，D_PMD为光纤系统的PMD指数，L为光纤长度。

本发明，在不需要重构路由计算核心算法的基础上，提高了建路成功率，降低了连接阻塞率，提高了网络的服务质量，应用在WSON网络中，将产生较大的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于路由扩展模型的物理损伤感知RWA模型；

图3为本发明实施例提供的建立光通道时的物理拓扑图；

图4为本发明实施例提供的OSNR产生的关键因素示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法包括以下步骤：

步骤S1、在接收到路径请求后，根据基于路由扩展模型的物理损伤感知RWA(Routing and Wavelength Assignment，波长路由分配)模型，使用KSP最短路径算法计算出从源节点到宿节点满足资源约束的K条最短路径。

步骤S2、依次对上述K条最短路径进行物理损伤评估，即将上述K条最短路径的光损伤参数与光损伤参数的物理门限进行比较。

步骤S3、最后在光损伤参数的物理门限范围内选择一条满足路由约束(资源约束和物理损伤约束)的最优路径。

本发明中，基于路由扩展模型的物理损伤感知RWA(Routing and WavelengthAssignment，波长路由分配)模型如图2所示。

路径由源节点A计算，使用KSP最短路径算法计算出满足资源约束的最优路径、次优路径、次次优路径等，依次对这些路径进行物理损伤评估，最后选择一条满足路由约束(资源约束和物理损伤约束)的最短路径，然后进行下一步的资源预留操作，具体方法如下：

假定存在从源节点R₁到宿节点R_d的两条路径p＝(V₁，V₂，…，V_l)和q＝(U₁，U₂，…，U_w)，如果存在一个整数x满足以下4个条件：

(1)x<l，并且x<w；

(2)V_i＝U_i(0≤i≤x)；

(3)V_x+1≠U_x+1；

(4)(U_x+1,U_x+2,…,U_w＝R_d)是从U_x+1到R_d的最短路径。

则称(U_x,U_x+1)为q相对于p的偏离边，U_x为q相对于p的偏离点，路径(U_x+1,U_x+2,…，U_w＝R_d)为q相对于p的最短偏离路径。

初始化两个路径集合A和B，最短路径集合A存放计算出的最短路径；候选路径集合B存放计算出的候选路径。首先使用传统的路由算法Dijkstra算法计算出源节点R₁到宿节点R_d之间的一条最短路径P₁＝{R₁，R₂，R₃，…，R_d}，将路径P₁放到最短路径集合A中，在计算出了前K条路径{P₁，P₂，…，P_k}后，计算路径P_k+1的过程如下：

1.判断路径P_k相对于路径P_k-1的偏离路径，取偏离路径中除了宿节点R_d之外的每个节点R_i做为可能的偏离节点，计算节点R_i到宿节点R_d之间的最短路径，在计算节点R_i到宿节点R_d之间的最短路径时，需要满足以下两个条件：第一，为了保证无环，该路径不能通过当前最短路径P_k上从源节点R₁到节点R_i之间的任何节点；第二，为了避免与之前找到的路径重复，从节点R_i分出的边不能与之前找到的最短路径{P₁，P₂，…，P_k}上从节点R_i上分出的边相同。

2在找到了节点R_i到宿节点R_d之间满足以上两个条件的最短路径后，将该最短路径与当前路径P_k上从源节点R₁到节点R_i的路径拼接在一起构成路径P_k+1的一条候选路径，并将其存放在候选路径集合B中。

3.从候选路径集合B中选择最短的一条作为路径P_k+1，并将其放到最短路径集合A中，以上过程不断重复，直到得到K条最短路径为止。

KSP最短路径算法的时间花费主要体现在以下四点：第一，最短路径的计算，目前使用的是Dijkstra算法，Dijkstra算法求解两节点间最短路径的时间花费为O(m+nlogn)；第二，每次插入新的候选路径需要的时间为O(logK)；第三，每条路径P_k+1最多包含n个节点，因此求每个节点到目的节点的最短路径需要的时间为O(n×(m+nlogn))；第四，路径P_k+1最多有n个候选路径，从中选择最短的路径需要的时间为O(n)。因此，KSP最短路径算法的时间复杂度为O(c(n)+K(n*(m+nlogn)+n+logK))，即O(Kn(m+nlogn))。

如图3所示的具体实施例中，为建立光通道时的物理拓扑图，链路的拓扑信息在全网泛洪，每个节点都知道整个网络的拓扑及链路信息。假设每条链路都满足路由约束，算路策略为metric(路径长度)最小，即从候选路径集合B中选择最优的路径以metric最小为依据，假设K为5，即只需计算出5条最短路径。

计算最短路径：源节点为A，宿节点为D，按照Dijkstra算法计算出源节点A到宿节点D的最短路径为P₁＝{A-B-C-D}，将路径P₁存放到最短路径集合A中。

1、路径P₁无偏离路径，因此可选择源节点A、节点B和节点C作为偏离节点，计算出相对于路径P₁的偏离路径。

源节点A-宿节点D：排除A-B链路，计算出的偏离路径为D₁＝{A、E、B、C、D}，组合后的候选路径为C₁＝{A、E、B、C、D}，metric值为25，将C₁存放到候选路径集合B中。

节点B-宿节点D：排除源节点A和B-C链路，计算出的偏离路径为D₂＝{B、E、F、G、H、D}，组合后的候选路径为C₂＝{A、B、E、F、G、H、D}，metric值为70，将C₂存放到候选路径集合B中。

节点C-宿节点D：排除源节点A和节点B，排除C-D链路，计算出的偏离路径为D₃＝{C、G、H、D}，组合后的候选路径为C₃＝{A、B、C、G、H、D}，metric值为40，将C₃存放到候选路径集合B中。

2、从候选路径集合B(C₁、C₂、C₃)中选择最优的路径(即metric值最小的路径)C₁作为P₂＝{A、E、B、C、D}，将P₂存放到最短路径集合A中，并将C₁从候选路径集合B中删除。

3、计算路径P₂的偏离路径，路径P₂相对于路径P₁的偏离路径为D₁＝{A、E、B、C、D}，可选择源节点A、节点E、节点B和节点C作为偏离节点，计算出相对于路径P₂的偏离路径。

源节点A-宿节点D：排除A-E链路，因为在源节点A路径P₂的偏离边为A-B，需排除，计算出的偏离路径为D₄＝{A、R、I、J、C、D}，组合后的候选路径为C₄＝{A、R、I、J、C、D}，metric值为65，将C₄存放到候选路径集合B(C₂、C₃)中。

节点E-宿节点D：排除源节点A和E-B链路，计算出的偏离路径为D₅＝{E、F、G、H、D}，组合后的候选路径为C₅＝{A、E、F、G、H、D}，metric值为60，将C₅存放到候选路径集合B中。

节点B-宿节点D：排除源节点A和节点E，排除B-C链路，计算出的偏离路径为D₆＝{B、I、J、C、D},组合后的候选路径为C₆＝{A、E、B、I、J、C、D}，metric值为95，将C₆存放到候选路径集合B中。

节点C-宿节点D：排除源节点A、节点E和节点B，排除C-D链路，计算出的偏离路径为D₇＝{C、G、H、D}，组合后的候选路径为C₇＝{A、E、B、C、G、H、D}，metric值为50，将C₇存放到候选路径集合B中。

4、从候选路径集合B(C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇)中选择最优的路径C₃做为P₃＝{A、B、C、G、H、D}存放到最短路径集合A中，并将C₃从候选路径集合B中删除。

5、计算路径P₃的偏离路径，路径P₃相对于路径P₁的偏离路径为D₂＝{C、G、H、D}，可选择节点C、节点G和节点H作为偏离节点，计算出相对于路径P₃的偏离路径。

节点C-宿节点D：排除源节点A和节点B，排除C-G链路，排除在节点C路径P₃的偏离边C-D，计算出的偏离路径为D₈＝{C、J、K、D}，组合后的候选路径为C₈＝{A、B、C、J、K、D}，metric值为90，将C₈存放到候选路径集合B中。

节点G-宿节点D：排除源节点A、节点B和节点C，排除G-H链路，无法计算出偏离路径。

节点H-宿节点D：排除源节点A、节点B、节点C和节点G，排除H-D链路，无法计算出偏离路径。

6、从候选路径集合B{C₂、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈}中选择最优的路径C₇作为P_4＝{A、E、B、C、G、H、D}存放到最短路径集合A中，并将C₇从候选路径集合B中删除。

7、计算路径P₄的偏离路径，路径P₄相对于路径P₂的偏离路径为D₇＝{C、G、H、D}，可选择节点C、节点G和节点H作为偏离节点，计算出相对于路径P₄的偏离路径。

节点C-宿节点D：排除源节点A、节点E和节点B，排除C-G链路，排除在节点C路径P₂的偏离边C-D，计算出的偏离路径为D₉＝{C、J、K、D}，组合后的候选路径为C₉＝{A、E、B、C、J、K、D}，metric值为100，将C₉存放到候选路径集合B中。

节点G-宿节点D：排除源节点A、节点E、节点B和节点C，排除G-H链路，无法计算出偏离路径。

节点H-宿节点D：排除源节点A、节点E、节点B、节点C和节点G，排除H-D链路，无法计算出偏离路径。

8、从候选路径集合B{C₂、C₄、C₅、C₆、C₈、C₉}中选择最优的路径C₅＝{A、E、F、G、H、D}做为P₅存放到最短路径集合A中，并将C₅从候选路径集合B中删除。

9、因为K＝5，已经计算出了5条最短路径，所以算路结束，如表1所示，为计算出的5条最短路径。

表1：计算出的5条最短路径

10、根据OSNR(Optical Signal Noise Ratio，信噪比)、CD(ChromaticDispersion，色度色散)和PMD(Polarization Mode Dispersion，偏振模色散)的计算公式计算最短路径P₁、P₂、P₃、P₄和P₅的光损伤参数，将计算出的光损伤参数与光损伤参数的物理门限进行比较，得出最优路径。

需要说明的是，OSNR：非线性单调光损伤参数；CD：线性非单调光损伤参数，可通过器件补偿；PMD：线性单调光损伤参数，目前无补偿器件。

<1>OSNR的计算方法和关键因素：

如图4所示，为OSNR产生的关键因素示意图，根据58公式，某条路径的OSNR的计算方法如公式1：

(公式1)

公式1中各个参数的意义为：

(1)P_out(dB)-10logM为输出光功率，M为单根光纤中实际开通的波道数目；

(2)G_n＝10^g(n)/10为发送端OBA的增益；

(3)F_n＝10^nf/10为噪声指数；

(4)L_N为跨段衰耗；

(5)Δ_n＝10^g(n)/10×10^l(n)/10。

总的来说，OSNR的计算公式可以由以下输入参数唯一确定：(1)器件的类型、增益、饱和输出；(2)逐段光纤的长度、衰耗系数。

另外，公式1中的M(光纤中实际开通的波道数目)对于智能网络来说是一个根据业务实时变化的参数，因此考虑将M直接置为最大值，即等于单根光纤中的最大波长数。

<2>CD的计算方法和关键因素：

CD的计算方法如公式2：

(公式2)

其中，为光纤的色度色散系数，可以认为是常量，L为光纤长度，由公式2可知，CD的值与光纤长度成正比，只需要知道光纤的类型(对应的色度色散系数)即可根据光纤长度计算出CD的值。另外，CD可以通过色散补偿光纤进行补偿，对于色散补偿光纤来说，其仍适用于公式2，除非公式2中的色度色散系数为负值。

<3>PMD的计算方法和关键因素：

PMD的计算方法如公式3：

(公式3)

其中，D_PMD为系统的PMD指数，可以认为是常量，L为光纤长度，由公式3可知，PMD也是简单的线性计算方法。

综上所述，光损伤参数的计算是一个全路径累计计算过程，在已知路径所经过的节点和链路的情况下才能计算出全路径的光损伤参数。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法，WSON网络是基于波分复用传送网的自动交换光网络，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在接收到路径请求后，根据基于路由扩展模型的物理损伤感知波长路由分配模型，使用KSP最短路径算法计算出从源节点到宿节点满足资源约束的K条最短路径；

步骤S2：依次将上述K条最短路径的光损伤参数与光损伤参数的物理门限进行比较；

步骤S3：最后在光损伤参数的物理门限范围内选择一条满足路由约束的最优路径；

步骤S1的具体步骤如下：

步骤S101：初始化最短路径集合A和候选路径集合B，最短路径集合A用于存放计算出的最短路径，候选路径集合B用于存放计算出的候选路径；

步骤S102：使用传统的路由算法Dijkstra算法计算出源节点R₁到宿节点R_d之间的一条最短路径P₁＝{R₁，R₂，R₃，…，R_d}，并放到最短路径集合A中；

取除了宿节点R_d之外的每个节点R_i做为可能的偏离节点，计算偏离节点R_i到宿节点R_d之间的最短路径，并与该最短路径P₁上从源节点R₁到节点R_i的路径拼接在一起构成候选路径，存放在候选路径集合B中；

从候选路径集合B中选择最优的一条候选路径放到最短路径集合A中，并将该最优的一条候选路径从候选路径集合B中删除；

步骤S103：针对最短路径集合A中新增加的当前最短路径P_k，判断其相对于前一条最短路径P_k-1的偏离路径，取偏离路径中除了宿节点R_d之外的每个节点R_ki做为可能的偏离节点，计算节点R_ki到宿节点R_d之间的最短路径，并与当前最短路径P_k上从源节点R₁到节点R_ki的路径拼接在一起构成候选路径，存放在候选路径集合B中；

从候选路径集合B中选择最优的一条路径，并将其放到最短路径集合A中，同时将该最优的一条路径从候选路径集合B中删除；

重复步骤S103，直到在最短路径集合A中得到K条最短路径为止；

在步骤S103中，偏离节点R_ki到宿节点R_d之间的最短路径应满足以下两个条件：

条件一：该路径不能通过当前最短路径P_k上从源节点R₁到节点R_ki之间的任何节点；条件二：从节点R_ki分出的边不能与之前找到的最短路径{P₁，P₂，…，P_k}上从节点R_ki上分出的边相同；

所述光损伤参数包括信噪比OSNR、色度色散CD和偏振模色散PMD；

所述信噪比OSNR的计算公式如下：

其中，P_out(dB)-10logM为输出光功率，M为单根光纤中的最大波长数；G_N＝10^g(N)/10为发送端OBA的增益；F_N＝10^Nf/10为噪声指数；L_N为跨段衰耗；Δ_N＝10^g(N)/10×10^l(N)/10。

2.如权利要求1所述的基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法，其特征在于，在步骤S102和步骤S103中，从所述候选路径集合B中选择最优的路径以metric最小为依据。

3.如权利要求1所述的基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法，其特征在于，所述色度色散CD的计算公式如下：

其中，为光纤的色度色散系数，L为光纤长度，所述色度色散CD可通过色散补偿光纤进行补偿。

4.如权利要求1所述的基于WSON网络考虑光损伤的最短路径计算方法，其特征在于，所述偏振模色散PMD的计算公式如下：

其中，D_PMD为光纤系统的PMD指数，L为光纤长度。