CN106953710B - 弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的重配置路由机制，属于光纤通信技术领域。本发明通过设计的最小代价频谱分配模型提高路由中频谱分配的效率和减少频谱碎片。在路由的频谱分配过程中不仅考虑业务的链路频谱连续性，且通过最小化碎片大小及其持续时间以减小碎片的影响，最大程度地保持可用频谱的连续性。当业务阻塞时，提出了基于碎片感知的重配置机制，通过定义的重配置增益计算模型，选择重配置后产生碎片最小的已路由业务进行再分配，为阻塞业务提供足够频谱资源的同时进一步优化网络频谱。本发明提供一种最小代价频谱分配与碎片感知的重配置机制，能够有效降低网络中的带宽阻塞率，提高网络频谱资源利用率。

Description

弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法。

背景技术

随着高清电视，三维视频点播，电子学习和云计算等一些应用的普及，网络带宽需求呈指数级迅速增长。传统的波分复用光网络(Wavelength Division Multiplexing,WDM)采用固定波长带宽的分配方式，不能根据业务实际带宽需求灵活地分配带宽资源，造成频谱利用效率低下。主要表现在，当业务需求带宽小于一个波长通道时，仍为业务分配一个波长的带宽；当业务请求的带宽大于一个波长带宽时，需要为业务分配多个连续的波长，但相邻波长间的频谱保护间隔使得大部分带宽无法被利用，造成带宽利用率低下。为提高频谱利用率，基于相干光正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的弹性光网络因其栅格粒度小，频谱分配灵活等优势，成为极具潜力的下一代光网络。

弹性光网络中频谱资源被分割为更小的栅格粒度，由于正交频分复用的子载波之间具有正交性，所以相邻的OFDM子载波之间可以相互重叠，减少了频谱资源的浪费。当业务请求带宽较小时，能够根据业务需求分配恰好足够的频谱资源；当请求带宽较大时，可以将多个连续的子载波聚合成超级信道以实现高速率业务的传输。弹性光网络中的资源分配所需要解决的基本问题是路由频谱分配(Routing and Spectrum Allocation,RSA)问题。在频谱分配的过程中需要满足频谱邻接性以及频谱连续性限制，即频谱连续性是指在路径的每条链路上，分配的频谱的频隙索引值必须是连续的，无间隔的；频谱一致性限制指的是，路径中每条链路上分配的频谱的起始频隙索引值和结束频隙索引值必须是完全相同的。在频谱分配过程中，为满足以上两种约束，就会产生单条链路上空闲的频谱不连续，相邻链路上空闲频谱不一致的现象，这些空闲的频谱块即为频谱碎片。频谱碎片的产生，限制了频谱利用率的进一步提升。另外，随着光路动态的建立与拆除，一段时间后网络中的频谱会处于一种杂乱状态，一些空闲的频谱由于不满足连续性而无法服务业务，如果不对这些空闲的频谱碎片进行整理，那么由于频谱分配过程中必须满足频谱连续性和频谱邻接性的双重限制，较小的频谱碎片资源难以被利用，同时新的频谱碎片又不断生成，网络资源利用率将受到威胁，引发网络服务质量下降。因此，研究减少网络频谱碎片进而提高频谱利用率，降低网络阻塞率是十分必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法，用于减小网络频谱碎片，提高频谱利用率，降低网络阻塞率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法，在该机制中，为避免碎片产生，采用最小代价频谱分配模型以最小化分配频谱对网络碎片化影响；当业务阻塞时，通过定义的重配置增益计算模型，选出重配置后产生碎片最小的已路由业务进行再分配，进一步优化网络频谱资源；该机制具体包括以下步骤：

步骤1：综合考虑分配频谱代价及产生的碎片代价，定义最小代价频谱分配模型，选择总代价最小的频谱块为业务进行路由频谱分配，以最小化分配频谱产生的碎片；

步骤2：当业务由于没有足够的连续频谱而阻塞时，通过定义的重配置增益计算模型，选出重配置后产生碎片最小的已路由业务进行再分配，为阻塞业务提供足够频谱资源的同时进一步优化网络频谱。

进一步，步骤1具体包括：统计每条候选路径的可用频谱块，找出满足业务需求的频谱块作为备选频谱块，根据定义的最小代价频谱分配模型，分别计算每个备选频谱块的频谱分配代价，选出代价最小的频谱块为业务进行路由频谱分配。

进一步，步骤2具体包括：当业务由于找不到连续的空闲频谱块而阻塞时，通过重配置网络中已有业务，对网络频谱进行整合，为阻塞业务提供足够的频谱；为减少因重配置造成的业务干扰，根据阻塞业务每条路径上成功传输还需的剩余频谱由大到小排序，优先为剩余频谱小的那条路径进行频谱整合；从已路由业务中找出所有与该条路径上有相同链路的业务即为冲突业务，根据定义的重配置增益计算模型动态的选择对哪些冲突业务进行重配置能尽可能保持剩余频谱的连续性，为选出的业务重新进行路由频谱分配。

进一步，所述最小代价频谱分配模型用来反映频谱碎片化程度，使频谱分配过程中不仅考虑了所在链路的频谱连续性，而且通过最小化碎片大小及其持续时间以减小碎片的影响，最大程度上保持可用频谱的连续性；

所述最小代价频谱分配模型通过以下方法计算：

其中，Cost_n为预分配第n个备选频谱块的频谱分配代价；L_k为第k条路径的总链路数，l为第k条路径的第l条链路，BFS_R为第k条路径需要的频隙数，为预分配第n个备选频谱块的链路频谱适应度值，T_R为业务持续时间；为预分配第n个备选频谱后产的碎片大小，为碎片持续时间；

进一步，所述最小代价频谱分配模型中的链路频谱适应度通过以下方式计算：

其中分别为预分配第n个备选频谱块前、后链路l的频谱连续程度，通过以下方式计算：

其中，为链路l上最大空闲的频谱块，为链路l上总的空闲的频谱块，CP^l为链路l上的频谱连接点数，state表示此时的频谱分配状态。

进一步，为提高重配置带来的网络效益，在本机制中还定义了重配置增益计算模型，能够最大程度上提高重配置对网络碎片的整合程度；

所述重配置增益计算模型通过以下方法计算：

其中，E为网络中所有链路集合，为二进制变量，重配置业务r经过链路l则为1，否则，为0；为链路l上释放频谱块后的频谱连续程度；为重配置业务离开时间，t_iclock为当前网络运行时间。

本发明的有益效果在于：本发明提供的弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法，考虑了业务传输及频谱碎片的持续时间，设计了最小代价频谱分配模型用来反映频谱碎片化程度，使频谱分配过程中不仅考虑了所在链路的频谱连续性，而且通过最小化碎片大小及其持续时间以减小碎片的影响，最大程度上保持可用频谱的连续性。当业务由于没有足够的连续频谱而阻塞时，该文提出了基于碎片感知的重配置机制，通过定义的重配置增益计算模型，选出重配置后产生碎片c最小的已路由业务进行再分配，为阻塞业务提供足够频谱资源的同时进一步优化网络频谱。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为网络拓扑图；

图2为链路频谱资源分配示意图；

图3为频谱碎片示意图；

图4为频谱分配示意图；

图5为碎片感知的重配置机制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法，为更好地优化网络频谱资源，提出了最小代价频谱分配与碎片感知的重配置机制。随着控制协议的提出，如多标签控制协议、自动交换光网络和路径计算单元等，已经被应用于动态光路的管理和控制。用户可以提前知道服务请求的持续时间，进而更好地优化网络路由。因此，考虑业务的持续时间以更好地评估网络资源使用情况。在频谱分配阶段为避免碎片产生，设计了最小代价频谱分配模型，联合考虑分配频谱代价和产生的碎片代价以最小化分配频谱对网络碎片化影响。具体通过以下方式实现：首先为业务计算k条候选路径，统计每条候选路径上的可用频谱块，找出每条路径上满足业务请求的空闲频谱块作为备选频谱块，存入备选频谱块集合。若备选频谱块集合为空，则没有满足业务需求的连续空闲频谱块，将业务阻塞；若备选频谱块集合不为空，根据定义的频谱分配代价模型，分别计算每个备选频谱块的频谱分配代价，选出代价最小的频谱块为业务进行路由频谱分配。

此外，当业务由于找不到连续的空闲频谱块而阻塞时，触发重配置机制，通过重配置网络中已有业务，对网络频谱进行整合，为阻塞业务提供足够的频谱。通过定义重配置增益计算模型用以动态的选择对哪些业务进行重配置，能尽可能保持剩余频谱的连续性，减小网络频谱碎片。该模型考虑了重配置业务路径上总链路频谱连续度和业务剩余传输时间，使碎片两侧的业务离开时间相近，一方面可以减小碎片对网络资源的影响时间，另一方面当业务离开时能够获得更多连续的空闲频谱块。优先为重配置增益大的已有业务重路由，在为阻塞业务提供足够频谱资源的同时优化网络频谱。具体通过以下方式实现：为减少因重配置造成的业务干扰，根据阻塞业务每条路径上成功传输还需的剩余频谱由大到小排序，优先为剩余频谱小的那条路径进行频谱整合。从已路由业务中找出所有与该条路径上有相同链路的业务即为冲突业务，根据定义的重配置增益计算模型动态的选择对哪些冲突业务进行重配置能尽可能保持剩余频谱的连续性，为选出的业务重新进行路由频谱分配。

实施例：

如附图1所示的网络拓扑，网络中共有三条链路，每条链路的频谱使用情况如附图2所示，其中纵坐标代表每条链路上的频隙，横坐标为网络链路标号。结合该实例说明本发明所述方法中的弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法。

由于业务的请求速率不同，选用的调制格式不同，则每个业务需要的频隙也不同。频谱碎片即为一些不能满足任何业务带宽需求的、孤立的频谱块。设弹性光网络网络拓扑抽象为G(V,E,F),V为网络节点集合，E为网络链路集合，F为每条链路上总的频隙，每条链路频隙起止范围为[S_s,S_e]，每个频隙大小为FS。用f_ij表示链路i上的第j个频隙是否被占用，若为1，表示空闲；若为0，表示该频隙被占用。用S_ij表示如果一个业务分配频隙f_ij后，频谱碎片是否发生。S_ij若为1，表示分配频隙f_ij后有碎片产生；否则，没有碎片产生。

由此，可得到链路l上总的碎片大小：

如附图3所示，假定有一业务R所需频隙数为2，备选路径为L2-L3，为满足频谱分配的连续性及一致性约束，则所经路径上共有三个备选频谱块：RF1、RF2、RF3。若按RF1为业务R分配频谱，则会产生碎片S₁₂和S₂₂，分配后所经路径上产生的总的碎片大小为2；若按RF2分配频谱，则会产生碎片S₁₄和S₂₄，分配后所经路径上产生的总的碎片大小也为2；若按RF2分配频谱，无碎片产生，分配后所经路径上产生的总的碎片大小为0。

为业务分配频谱时，不仅要考虑分配频隙的连续性和一致性，还要考虑分配频谱后对剩余频谱资源传输能力的影响，从而最小化网络频谱碎片。用表示链路l上的频谱连续程度：

其中，为链路l上最大空闲的频谱块，为链路l上总的空闲的频谱块，CP^l为链路l上的频谱连接点数，两个空闲的频隙之间有一个连接点，若仅有一个单独的空闲频隙，则其连接点数为0；state表示此时的频谱分配状态。

所述最小代价频谱分配模型中的链路频谱适应度通过以下方式计算：

定义了频谱适应度用来表示预分配频谱块对链路频谱连续性的影响，该值越小，说明预分配后对链路频谱连续性影响越小，分配后产生碎片越少。其中分别为预分配第n个备选频谱块前、后链路l的频谱连续程度。

为避免碎片产生，考虑业务传输及频谱碎片的持续时间，设计了最小代价频谱分配模型用来反映频谱碎片化程度，使频谱分配过程中不仅考虑了所在链路的频谱连续性，而且通过最小化碎片大小及其持续时间以减小碎片的影响，最大程度上保持可用频谱的连续性。所述最小代价频谱分配模型通过以下方法计算：

其中，Cost_n为预分配第n个备选频谱块的频谱分配代价；L_k为第k条路径的总链路数，l为第k条路径的第l条链路，BFS_R为第k条路径需要的频隙数，为预分配第n个备选频谱块的链路频谱适应度值，T_R为业务持续时间；为预分配第n个备选频谱后产的碎片大小，为碎片持续时间；

将离开时间相近的业务分配在一起，当时间到达释放频谱资源，能够产生连续的空闲频谱，从而减小因业务动态的建立及离开而产生的碎片。假定业务的达到时间为t_a，持续时间为t_h，则业务的离开时间t_d＝t_a+t_h。若与碎片两端邻接的业务分别为R_a和R_b,它们对应的离开时间分别为t_ad和t_bd，则

当网络负载轻时，网络碎片化程度较小，频谱分配代价公式中频谱适应度起主要作用，选择路径上频谱适应度之和最小的频谱块作为备选频谱块，再由碎片代价从备选频谱块集合中选出总代价最小的频谱块，即为对网络碎片化程度影响最小的频谱分配方式；当网络负载重时，网络碎片化程度严重，此时频谱适应度值逐渐减小，代价公式主要由需求频隙数BFS_R和频谱适应度共同作用来选择备选路径及备选频谱块集合，再由碎片代价选出总代价最小的频谱块。

结合附图1所示拓扑及附图4所示的频谱使用情况，具体说明频谱分配代价的计算过程。假定网络中已有4个业务，R1，R2，R3和R4，其路由路径和请求频隙数，业务离开时间等信息如表1所示，每个业务所占频谱如附图2所示。当一个新的业务R5到达，其请求频隙数为1，路由路径为L1-L2-L3，业务离开时间为1.6，由链路频谱使用情况可知，R5有三种备选频谱块{S3,S7,S8}。若按S3为业务R5分配频谱，根据公式(6)定义的最小代价频谱分配模型，分别计算三种备选频谱块的频谱分配代价。

表1 业务路由信息

为计算预分配S3的频谱分配代价，先要计算业务R5所经链路的频谱适应度值，其计算方法如下：首先，计算预分配频谱块S3前链路L1的频谱连续度值，总的空闲频谱数为6，其中，最大连续的空闲频隙数为4，连接点数为4，则分配S3前链路L1的频谱连续度值为：然后，再计算预分配频谱块S3后链路L1的频谱连续度值，分配S3后，总的空闲频谱数为5，其中，最大连续的空闲频隙数为4，连接点数为3，则分配S3后链路L1的频谱连续度值为：则频谱块S3在链路L1上的频谱适应度值为：接下来再计算频谱块S3在链路L2上的频谱适应度值为：最后计算频谱块S3在链路L3上的频谱适应度值为：

得到了预分配频谱块S3后每条链路的频谱适应度值，根据公式(2)计算预分配频谱块S3后路径上产生的总碎片大小为1，则根据公式(6),(7)可得预分配频谱块S3后的频谱分配代价Cost₃为：Cost₃＝3.5×1.6+1×|1.6-1.5|＝5.7，其中包括分配频谱代价为3.5×1.6＝5.6，碎片代价为1×|1.6-1.5|＝0.1。

同样，可计算频谱块S7和S8在路径L1-L2-L3上的频谱分配代价，对比三种频谱分配代价如下表2所示。

表2 频谱分配代价对比表

由表2可知，选用S3作为业务R5的频谱分配可获得最小代价，能够最大程度上避免了碎片的产生，使网络中各条链路上空闲的频隙能够保证其连续性，为后续到达的业务提供足够的频谱。

在频谱分配时尽量避免碎片的产生可以减小碎片，但随着网络中业务不断的建立和拆出，频谱碎片仍不可避免。当业务由于找不到连续的空闲频谱块而阻塞时，对网络已有业务进行重路由，对频谱进行重新整合，为阻塞业务提供足够的频谱。

定义重配置增益计算模型用以动态的选择对哪些业务进行重配置，能尽可能保持剩余频谱的连续性，减小网络频谱碎片。该模型考虑了重配置业务路径上总链路频谱连续度和业务剩余传输时间，优先为重配置增益大的已有业务重路由，在为阻塞业务提供足够频谱资源的同时优化网络频谱。所述重配置增益计算模型通过以下方法计算：

其中，E为网络中所有链路集合，为二进制变量，重配置业务r经过链路l则为1，否则，为0；为链路l上释放频谱块后的频谱连续程度；为重配置业务离开时间，t_iclock为当前网络运行时间。

重配置增益计算模型中考虑业务剩余传输时间旨在最大化重配置对网络频谱的优化程度。若重配置业务剩余持续时间较短，则其对网络优化的时间也相对较短，相比重配置剩余持续时间长的业务获得增益也就越小。而考虑重配置业务路径上总链路频谱连续度是为了在为被阻塞业务提供足够的频隙的同时，尽量选择那些路径碎片化程度较大的业务进行重配置，以提高重配置的性价比。

下面将结合附图5对本发明的弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法的总流程进行介绍，具体总流程可分为下面几个步骤：

S1：网络中有新事件发生，若为新业务R到达，转至S2；

S2：为业务计算k条最短路径，定义为P(R)＝{p₁,p₂,…,p_k}，转S3；

S3：统计路径P(R)中每条路径的空闲的频谱块，存入可用频谱块集合AR(P)＝{AR_i,j|i为可用频谱块的标号,j∈[1,k]}中，转S4；

S4：从AR(P)中找出满足业务需求的频谱块，存入备选频谱块集合QBR(P)＝{QBR_i,j|i为备选频谱块的标号,j∈[1,k]}，转S5；

S5：若备选频谱块集合QBR(P)为空，则路径P(R)中没有满足业务需求的频谱块，阻塞业务R，转至S8；若不为空，转至S6；

S6：从备选频谱块集合QBR(P)中的第一个备选频谱块开始，对于每一个备选频谱块QBR_i,j，根据公式(5)计算第j条路径中每个备选频谱块对应的链路频谱代价之和Cost_i。选择Cost_i最小的路径及备选频谱块，即为业务R分配后碎片最小的频谱分配方式，转至S7；

S7：根据选出的代价最小的路径和频谱块QBR_i,j，为该业务进行频谱分配，转至S1；

S8：触发业务重配置机制，将AR(P)集合内的可用频谱块按大小降序排列，转至S9；

S9：对于AR(P)中第i个可用频谱块AR_i,j，从已路由业务中找出路径p_j的冲突业务集，从该集合中找出与AR_i,j频谱两侧相邻且所占频谱块大于等于业务R所需的剩余频谱块的业务，存入集合ER中，转至S10；

S10：根据公式(7)分别计算集合ER中每个业务的重配置增益，并根据重配置增益降序排序。为ER中的冲突业务寻找备选频谱块，若找到，释放该冲突业务，为冲突业务重新进行频谱分配，更新网络频谱，为业务R进行频谱分配，转至S1；否则，转至S11；

S11：该冲突业务是否为ER中最后一个业务，若不是，继续为下一个冲突业务寻找备选频谱块；若是，转至S12；

S12：判断该频谱块是否为最后一个可用频谱块，若是，则重配置失败，阻塞业务R，转至S1；否则，转至S9。

当业务发生阻塞时，如何对该业务进行重配置，下面对本发明的一种弹性光网络中碎片感知的重配置机制流程进行介绍，具体总流程可分为下面几个步骤：

S1：触发业务重配置机制，将每条路径的可用频谱块集合AR(P)内的频谱块按大小降序排列，转至S2；

S2：若AR(P)不为空，转至S3；否则，阻塞业务R；

S3：从正在传输业务中找出频谱块的冲突业务集，从该集合中找出与频谱块AR_i,j两侧相邻且所占频谱块大于等于业务R所需的剩余频谱块的业务，存入集合ER中，转至S4；

S4：根据公式(7)分别计算集合ER中每个业务的重配置增益，并根据重配置增益降序排序。为ER中的冲突业务寻找备选频谱块，若找到，释放该冲突业务，为业务R进行频谱分配；否则，转至S5；

S5：该冲突业务是否为ER中最后一个业务，若不是，继续为下一个冲突业务寻找备选频谱块；若是，转至S6；

S6：判断该频谱块是否为最后一个可用频谱块，若是，则重配置失败，阻塞业务R；否则，转至S3。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法，其特征在于：在该方法中，为避免碎片产生，采用最小代价频谱分配模型以最小化分配频谱对网络碎片化影响；当业务阻塞时，通过定义的重配置增益计算模型，选出重配置后产生碎片最小的已路由业务进行再分配，进一步优化网络频谱资源；该方法具体包括以下步骤：

步骤1：综合考虑分配频谱代价及产生的碎片代价，定义最小代价频谱分配模型，选择总代价最小的频谱块为业务进行路由频谱分配，以最小化分配频谱产生的碎片；

步骤2：当业务由于没有足够的连续频谱而阻塞时，通过定义的重配置增益计算模型，选出重配置后产生碎片最小的已路由业务进行再分配，为阻塞业务提供足够频谱资源的同时进一步优化网络频谱；

步骤1具体包括：统计每条候选路径的可用频谱块，找出满足业务需求的频谱块作为备选频谱块，根据定义的最小代价频谱分配模型，分别计算每个备选频谱块的频谱分配代价，选出代价最小的频谱块为业务进行路由频谱分配；

所述最小代价频谱分配模型用来反映频谱碎片化程度，使频谱分配过程中不仅考虑了所在链路的频谱连续性，而且通过最小化碎片大小及其持续时间以减小碎片的影响，最大程度上保持可用频谱的连续性；

所述最小代价频谱分配模型通过以下方法计算：

其中，Cost_n为预分配第n个备选频谱块的频谱分配代价；L_k为第k条路径的总链路数，l为第k条路径的第l条链路，BFS_R为第k条路径需要的频隙数，为预分配第n个备选频谱块的链路频谱适应度值，T_R为业务持续时间；为预分配第n个备选频谱后产的碎片大小，为碎片持续时间；

为提高重配置带来的网络效益，在本方法中还定义了重配置增益计算模型，能够最大程度上提高重配置对网络碎片的整合程度；

所述重配置增益计算模型通过以下方法计算：

其中，E为网络中所有链路集合，为二进制变量，重配置业务r经过链路l则为1，否则，为0；为链路l上释放频谱块后的频谱连续程度；为重配置业务离开时间，t_iclock为当前网络运行时间。

2.如权利要求1所述的弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法，其特征在于：步骤2具体包括：当业务由于找不到连续的空闲频谱块而阻塞时，通过重配置网络中已有业务，对网络频谱进行整合，为阻塞业务提供足够的频谱；为减少因重配置造成的业务干扰，根据阻塞业务每条路径上成功传输还需的剩余频谱由大到小排序，优先为剩余频谱小的那条路径进行频谱整合；从已路由业务中找出所有与该条路径上有相同链路的业务即为冲突业务，根据定义的重配置增益计算模型动态的选择对哪些冲突业务进行重配置能尽可能保持剩余频谱的连续性，为选出的业务重新进行路由频谱分配。

3.如权利要求1所述的弹性光网络中最小代价频谱分配与碎片感知的路由方法，其特征在于：所述最小代价频谱分配模型中的链路频谱适应度通过以下方式计算：

其中分别为预分配第n个备选频谱块前、后链路l的频谱连续程度，通过以下方式计算：

其中，为链路l上最大空闲的频谱块，为链路l上总的空闲的频谱块，CP^l为链路l上的频谱连接点数，state表示此时的频谱分配状态。