CN106060682B - 基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法 - Google Patents

基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法 Download PDF

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一种基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，包括：S1、在多个网络节点中分别设置串联结构分层光交叉连接；S2、基于所述多个网络节点构造基于串联结构分层光交叉连接的波带切换弹性光网络；S3、接收从第一网络节点到第二网络节点的连接请求，为所述连接请求分配波带路径和光路路径；S4、基于所述波带路径和所述光路路径的包含关系为所述连接请求分配子路径以波带路由所述连接请求。实施本发明的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，通过基于分配波带路径和光路路径给连接请求，并基于该波带路径和光路路径的包含关系为所述连接请求分配子路径以波带路由所述连接请求，可以显著节省交换端口的数量，从而降低网络成本。

Description

基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，更具体地说，涉及一种基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法。
背景技术
现已观察到光传输技术的发展速度明显快于光交换技术。虽然在密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统中，光纤可以携带极大量的波长通道，但是目前可得的波长选择开关(Wavelength Selective Switch，WSS)的端口数至多只有20。因此，弹性光网络中的大规模光交叉连接((optical cross-connect,OCX)结构，通常是利用层叠波长选择开关来获得大的交换端口数目。然而，这一方面使得波长选择开关需求数目快速增加，另一方面信号的损耗也会随着层叠的数目随之增大。所以，降低网络光交换端口数目具有重要意义的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可以降低网络光交换端口数的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，包括：
S1、在多个网络节点中分别设置串联结构分层光交叉连接；
S2、基于所述多个网络节点构造基于串联结构分层光交叉连接的波带切换弹性光网络；
S3、接收从第一网络节点到第二网络节点的连接请求，为所述连接请求分配波带路径和光路路径；
S4、基于所述波带路径和所述光路路径的包含关系为所述连接请求分配子路径以波带路由所述连接请求。
在本发明所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法中，为所述连接请求分配光路路径满足所述连接请求只能在波带的一个光路路径上传输。
在本发明所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法中，为所述连接请求分配光路路径满足在所述光路路径上的频隙仅能被一个连接请求使用。
在本发明所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法中，为所述连接请求分配光路路径满足在所述光路路径上分配的频隙的数量等于所述连接请求的数量。
在本发明所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法中，为所述连接请求分配光路路径满足：
其中，s,d分别表示连接请求的源节点和目的节点，k表示节点对间路径集中的一条路径，b表示波带序号，B表示光纤中波带的最大数量，w表示频隙序号，S表示在每个光纤中的频隙资源的总数；表示从网络节点s到网络节点d的第t连接请求；在被网络节点d接受时为1，否则为0；在使用路径ps,d,k上的波带b∈[1,B]为1，否则为0；ps,d,k表示从网络节点s到网络节点d的第k条路径；在路径ps,d,k经过光纤l是为1，否则为0；在频隙w∈[1,S]分配给且为1，否则为0；表示请求的频隙的数量；M表示一个很大的数大值。
在本发明所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法中，为所述连接请求分配波带路径满足在相同的链路两个波带并不共享相同的频隙。
在本发明所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法中，为所述连接请求分配波带路径满足波带的终止频隙序号不小于起始频隙序号。
在本发明所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法中，为所述连接请求分配波带路径满足连接请求使用的频隙序号不会小于波带的起始频隙序号且不会大于波带b的终止频隙序号。
在本发明所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法中，为所述连接请求分配波带路径满足：
其中，s,d分别表示连接请求的源节点和目的节点，k表示节点对间路径集中的一条路径，b表示波带序号，B表示光纤中波带的最大数量，C表示每个波带中频隙的最大数量，w表示具体的频隙序号；表示代表在光纤l上波带b∈[1,B]的起始频隙数标号；表示代表在光纤l上波带b∈[1,B]的终止频隙标号；光纤l光纤l表示从网络节点s到网络节点d的第t连接请求；在被网络节点d接受时为1，否则为0；在使用路径ps,d,k上的波带b∈[1,B]为1，否则为0；ps,d,k表示从网络节点s到网络节点d的第k条最短路径；在路径ps,d,k经过光纤l是为1，否则为0；在频隙w∈[1,S]分配给且为1，否则为0；M表示大值；在波带路径使用路径ps,d,k且波带b∈[1,B]为1，否则为0。
在本发明所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法中，在所述步骤S4中，所述波带传输通路满足：
实施本发明的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，通过基于分配波带路径和光路路径给连接请求，并基于该波带路径和光路路径的包含关系为所述连接请求分配子路径以波带路由所述连接请求，可以显著节省交换端口的数量，从而降低网络成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1示出了根据本发明的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法的流程示意图；
图2示出了串联结构分层光交叉连接的逻辑示意图；
图3示出了基于TS-HOXC的波带切换弹性光网络的逻辑示意图；
图4示出了具有如2中的WBS-EON的拓扑和连接请求的弹性光网络；
图5示出了6-节点网络拓扑；
图6绘制了基于本发明的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法采用WBS-EOC和基于现有技术的方法采用EON的每个节点对的CR数量使用的光交换端口的数量；
图7绘制了基于本发明的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法采用WBS-EOC和基于现有技术的方法采用EON的每个节点对的CR数量使用的频谱。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法的流程示意图。在步骤S1中，在多个网络节点中分别设置串联结构分层光交叉连接。
图2示出了串联结构分层光交叉连接(Tandem Structure Hierarchical OpticalCross-Connect，TS-HOXC)。其中来自入路光纤的光路首先到达1×2WSS。如果任何业务连接到达目的节点，可以将其从波带光路中剥离并且下路到本地光接收器。剩余的波带光路将送到波带交叉连接(Waveband Cross-Connect，WBXC)进行波带交换。最后在输出光纤方向上通过WSS携带上需要上路的新的业务链接。这将业务链接的上路和下路功能从波带交叉连接中分离出来，使得本发明的串联结构分层光交叉连接更适合用于波带交换。可以注意到，在TS-HOXC中，单个光通道不能从一个波带切换到另一个波带。这意味着连接请求只能选择一条波带路径进行路由。因此，如果路径PA是路径PB的子路径，那么路径PA在的全部节点都将包括在路径PB中。因此，选择最佳波带路径变得至关重要。
在步骤S2中，基于所述多个网络节点构造基于串联结构分层光交叉连接的波带切换弹性光网络。图3示出了基于TS-HOXC的波带切换弹性光网络(Waveband SwitchedElastic Optical Network，WBS-EON)。
在步骤S3中，接收从第一网络节点到第二网络节点的连接请求，为所述连接请求分配波带路径和光路路径。为所述连接请求分配光路路径满足所述连接请求只能在波带的一个光路路径上传输，在所述光路路径上的频隙仅能被一个连接请求使用，在所述光路路径上分配的频隙的数量等于所述连接请求的数量。为所述连接请求分配波带路径满足在相同的链路两个波带并不共享相同的频隙。为所述连接请求分配波带路径满足波带的终止频隙数量不小于起始频隙数量，连接请求使用的频隙数量不会小于波带的起始频隙数量且不会大于波带b的终止频隙数量。
在步骤S4中基于所述波带路径和所述光路路径的包含关系为所述连接请求分配子路径以波带路由所述连接请求。
下面结合图3的基于TS-HOXC的波带切换弹性光网络以及图4的具有如图3中的WBS-EON的拓扑和连接请求CR的EON，对本发明的方法说明如下。
需要注意的是，如果波带交换是位于两个相邻的节点，那么是不能为连接请求节省交换端口。因此，我们仅考虑多跳连接请求CR，例如CR1(A到D)、CR2(F到C)和CR3(B到D)。当然，在实际操作中，本发明也可以实现单跳，双跳以及多跳连接请求的传输。在此，只是为了说明的方便，仅采用多跳连接请求为例。
每个连接请求CR的带宽假定为2频隙。当全部的连接请求CR沿着该波带路径路由时，波带路径沿着路径A、F、B、E、C和D设置。除了光信号上下路端口外，可以使用在节点F、B和C的三个交换端口，且在光纤连接(B、C)上的频谱使用数达到6。
该系统也可以配置成使用具有一层OXC的EON。在该EON中，单个的OXC节点将使用交换端口用于通过该节点的每个连接请求CR。在图4中，除了光信号上下路端口外，其在节点B、C、E和F需要四个光学交换端口用于弹性光网络路径路由，即在节点F和E需要两个交换端口用于连接请求CR1，在节点B需要一个交换端口用于连接请求CR2，在节点C需要一个交换端口用于连接请求CR3。频谱使用达到4。如该实施例所示，使用WBS-EON可以使用更少的交换端口，然而代价可能是消耗更多的频谱。
下面，我们采用整数线性规划(Integer Linear Programming,ILP)公式比较WBS-EON和EON之间的优化路径解决方案，进而对本发明的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法的操作原理，具体步骤以及其有益效果说明如下。
基于上述子路径关系采用ILP公式为路由、频谱和波带分配(route,spectrum,andwaveband assignment，RSBA)寻找最优解。该RSBA问题可以分成两个子问题。第一个子问题是路由满足频谱一致性(spectral continuity)和频谱连续性(spectral contiguity)的弹性光路。频谱一致性约束要求光路在其传输通过的各个光纤中必须使用相同的频谱。频谱连续性约束要求将连续的频谱分配给光路。这叫做路由和频谱分配(RSA)问题。第二个问题是在波带路径和光路中找到良好的包含关系。波带路径路由需要符合波带一致性限制，其限制弹性光路使用的频隙位于相同的波带内。因为保护波带(guard band)可以作为连接请求CR的一部分，为了简化，我们在ILP公式中不对其进行考虑。在网络中，我们使用i和j表示波带-路径的源节点和目的节点，且采用s和d表示连接请求CR的源节点和目的节点。
给定参数如下：
G(V,E)表示物理拓扑，V是网络节点集合，且E是定向物理光路路径集合。
表示从节点s到节点d的第t个连接请求。
表示CR请求的频隙的数量。
ps,d,k表示在物理拓扑中从节点s到节点d的第k条最短路径。
S表示在每个光纤中的频隙的总数。
C表示波带大小，其定义成在每个波带中频隙的最大数量。
B表示光纤中波带的最大数量。
如果路径ps,d,k经过光纤l是为1，否则为0。
如果路径ps,d,k是pi,j,k’的子路径为1，否则为0。
M表示大值(big value)，用来保证优化时对某个目标的优先优化，该值大于次目标的值。
l表示光纤。
决策变量：
如果CR被接受为1，否则为0。
如果频隙w∈[1,S]分配给且为1，否则为0。
表示代表在光纤l上波带b∈[1,B]的起始频隙数的整数变量。
表示代表在光纤l上波带b∈[1,B]的终止频隙数的整数变量。
如果使用路径ps,d,k上的波带b∈[1,B]为1，否则为0。
如果波带-路径使用路径ps,d,k且波带b∈[1,B]为1，否则为0。
Z表示频谱使用：在网路中全部光纤中使用的频隙的最大标号。
在WBS-EON中的RSBA问题
目标函数：
在等式(1)中，第一项是光交换端口的数量，其中仅考虑在中间节点中使用的光交换端口。第二项是频谱使用。因为我们将最小化光交换端口作为主要目标，所以等式(1)中的M取远大于Z的值，优选为Z的10倍以上的值。当然，在本发明的其他实施例中，也可以根据实际情况，选用其他M值。
约束式：
等式(2)用于获得频谱使用。等式(3)保证连接请求CR仅能在波带中的一个路径上传输。应注意，在此我们不考虑CR被分配到多个路径的情况。
等式(4)确保在光纤l上的频隙w仅仅能够被一个连接请求CR使用。等式(5)确保分配的频隙的数量等于请求的连接请求数量。在等式(6)中定义了频谱一致性。
等式(7)确保在连接请求CR可以被分配到波带-路径。在此，在整个波带-路径中，波带大小不需要相同。
等式(8)确保在光纤l上的波带b的独特性(uniqueness)。
等式(9)确保最大波带大小限制。等式(10)确保波带的终止频隙数量不小于起始频隙数量。等式(11)确保在相同的链路两个波带并不共享相同的频隙。
等式(12)和(13)给出了波带一致性约束。如果连接请求CR使用光纤l上的波带b，等式(12)确保连接请求使用的频隙数量不会小于波带b的起始频隙数量。如果连接请求CR使用光纤l上的波带b，等式(13)确保连接请求使用的频隙数量不会大于波带b的终止频隙数量。
在此，在图5中示出了6-节点、9-光路路径网络。下面在图5所示网络中采用本发明的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，以验证其结果。当然，本发明的方法也可在其他更大的网络中进行使用。基于本发明的教导，本领域技术人员能够实现这样的使用。
假设每个光路路径在每个方向具有一个光纤。每个光纤有32个频隙。在此，我们选择四个波带的大小(C)，如8、16、24、32个频隙。值得注意的是，波带宽度可以小于或等于波带大小。在每一个光纤中，可以容纳至多B＝4个波带。不考虑相邻节点之间的连接请求，因为对于这样的节点，波带交换网络不能节省光交换端口。除了邻居节点对之外，每个节点对具有相同数量的连接请求(7)。每个请求的带宽是随机选择为1、2或3个频隙。对于每个节点对，首先计算K＝5个最短路径。对于连接请求和波带-路径，使用相同的路径组。
图6绘制了每个节点对的CR数量使用的光交换端口的数量。在使用一个层的OXC中，随着CR数量的增加，使用的光交换端口的数量从14增加到42。在具有TS-HOXC的网络中，光交换端口的数量的上升趋势大大小于C的增加值。在具有TS-HOXC的网络中，当C＝8时，光交换端口的数量增至10-16。因为波带大小越来越大，波带交换端口可以分组光路的增加数量。应注意，对于C＝32，当流量负载增加时，交换端口的数量总是等于9。对于T＝3，使用TS-HOXC的网络与一层OXC相比，可以节省78％的交换端口。
图7绘制了每个节点对的CR数量使用的频谱。可以看到，对于两个网络，在流量负载增加时，频谱使用增加。对于T＝1和T＝2，WBS-EON和EON(无波带交换)具有相同的频谱使用。当T＝3时，C＝8的WBS-EON和EON频谱使用相等且等于13。C＝16、24和32的WBS-EON的频谱使用相同且等于14。值得注意的是，频谱使用在等式(1)中是次要优化目标。因此，如果必要的话，网络可以牺牲一些频谱资源，用于节省交换端口。
比较图5和图6可知，WBS-EON可以显著节省交换端口的数量，并且，该节省效果随着连接请求数量的增加和最大波带的增加而变得更加显著。当最大波带大小等于光纤容量，网络可以节省最大数量的光交换端口。同时，为了节省光交换端口所付出的成本并不多。当C＝32，WBS-EON的频谱使用仅略高于EON。总之，因此基于WBS-EON的TS-HOXC可以大大减少光交换端口，并且达到几乎相同的路由性能。
实施本发明的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，通过基于分配波带路径和光路路径给连接请求，并基于该波带路径和光路路径的包含关系为所述连接请求分配子路径以波带路由所述连接请求，可以显著节省交换端口的数量，从而降低网络成本。
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (4)

1.一种基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，其特征在于，包括：
S1、在多个网络节点中分别设置串联结构分层光交叉连接；
S2、基于所述多个网络节点构造基于串联结构分层光交叉连接的波带切换弹性光网络；
S3、接收从第一网络节点到第二网络节点的连接请求，为所述连接请求分配波带路径和光路路径；
S4、基于所述波带路径和所述光路路径的包含关系为所述连接请求分配子路径以波带路由所述连接请求；
其中为所述连接请求分配光路路径满足在所述光路路径上只能在一条波带传输通道传输；为所述连接请求分配光路路径满足在所述光路路径上的频隙仅能被一个连接请求使用；为所述连接请求分配光路路径满足在所述光路路径上分配的频隙的数量等于所述连接请求的频隙资源数量；为所述连接请求分配波带路径满足在相同的链路两个波带并不共享相同的频隙；为所述连接请求分配波带路径满足波带的终止频隙序号不小于起始频隙序号；为所述连接请求分配波带路径满足连接请求使用的频隙序号不会小于波带的起始频隙序号且不会大于波带b的终止频隙序号。
2.根据权利要求1所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，其特征在于，为所述连接请求分配光路路径满足：
其中，s,d分别表示连接请求的源节点和目的节点，k表示节点对间路径集中的一条路径，b表示波带序号，B表示光纤中波带的最大数量，w表示频隙序号，S表示在每个光纤中的频隙资源的总数；表示从网络节点s到网络节点d的第t连接请求；在被网络节点d接受时为1，否则为0；在使用路径ps,d,k上的波带b∈[1,B]为1，否则为0；ps,d,k表示从网络节点s到网络节点d的第k条路径；在路径ps,d,k经过光纤l是为1，否则为0；在频隙w∈[1,S]分配给且为1，否则为0；表示请求的频隙的数量；M表示大值。
3.根据权利要求2所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，其特征在于，为所述连接请求分配波带路径满足：
其中，s,d分别表示连接请求的源节点和目的节点，k表示节点对间路径集中的一条路径，b表示波带序号，B表示光纤中波带的最大数量，C表示每个波带中频隙的最大数量，w表示具体的频隙序号；表示代表在光纤l上波带b∈[1,B]的起始频隙数标号；表示代表在光纤l上波带b∈[1,B]的终止频隙标号；表示从网络节点s到网络节点d的第t连接请求；在被网络节点d接受时为1，否则为0；在使用路径ps,d,k上的波带b∈[1,B]为1，否则为0；ps,d,k表示从网络节点s到网络节点d的第k条最短路径；在路径ps,d,k经过光纤l是为1，否则为0；在频隙w∈[1,S]分配给且为1，否则为0；M表示大值；在波带路径使用路径ps,d,k且波带b∈[1,B]为1，否则为0。
4.根据权利要求3所述的基于串联结构分层光交叉连接的波带路由方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述波带传输通路满足：
其中，在路径ps,d,k是pi,j,k’的子路径时为1，否则为0。
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