CN107204935B - 频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法和系统 - Google Patents

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CN107204935B CN201710565648.7A CN201710565648A CN107204935B CN 107204935 B CN107204935 B CN 107204935B CN 201710565648 A CN201710565648 A CN 201710565648A CN 107204935 B CN107204935 B CN 107204935B
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Abstract

本发明涉及一种频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法和系统，为了实现连接请求在频谱灵活光网络传输较低故障概率和避免光纤链路的负载均衡而设计。本发明首先设置频谱灵活光网络的光纤链路故障概率，生成一组连接请求；其次为每个连接请求计算K条路径，计算每条工作路径的故障概率，并在每条工作路径上查找满足连接请求的频谱资源；最后设置故障概率和光纤链路负载调节参数，并计算K条路径的故障概率和光纤链路负载折衷的数值，选择最小折衷数值的路径作为连接请求的工作路径，并在所选择的路径中，分配连接请求的频谱资源，建立连接请求。本发明使频谱灵活光网络的频谱资源处于最佳状态，提高了频谱灵活光网络的频谱效率。

Description

频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法和系统
技术领域
本发明涉及一种频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法和系统。
背景技术
目前，在互联网、数据中心、云计算、大数据、物联网等应用业务需求下，全球信息量的95％以上都是通过光通信网络传送。正是由于业务对带宽巨大需求，光网络带宽需求将呈现出指数增长趋势，形成了光通信网络的规模不断增大，带来光网络复杂化，造成光网络资源效率低下和光网络发生故障的概率增大。传统光网络采用波分复用形成分配带宽资源，在通道间隔、传输速率、业务粒度都保持不变，容易形成光网络资源利用效率低下与带宽资源浪费严重，严重影响了光网络的传输效率。因此，频谱灵活光网络将成为解决带宽浪费与带宽粒度可变的有效手段。
在频谱灵活光网络中，用户可以根据连接请求的带宽粒度大小，利用不同的线速率和调制格式分配网络的频谱资源，以满足连接请求所需要的带宽需求。在频谱资源分配过程中，需要满足频谱资源的连续性和频谱资源一致性约束条件。然而，由于频谱灵活光网络的大规模建立，连接请求的发生故障潜在的风险以及网络资源效率将受到极大的威胁。一方面，为连接请求建立路径的过程中需要考虑工作路径的故障概率评估机制，尽可能地选择发生故障概率比较小的路径作为传输业务的工作路径；另一方面，由于某些区域在某一时刻的带宽流量需求极大，将会造成频谱灵活光网络的某些光纤链路的负载比较重，无法满足这一区域的连接请求，使得连接请求建立失败。目前，为了建立连接请求，通常采用以下两个步骤：
1)工作路由计算。在频谱灵光网络中，对于每一个连接请求，从源节点到目的节点进行路径计算，通常采用最短路径算法或是K条最短路径算法计算工作路径。然而，一方面，在传统工作路径计算方法中，并没有考虑到所计算工作路径发生故障的可能性，也没有对工作路径的故障概率进行评估，只是计算最小权重的路径；另一方面，传统工作路径的计算过程中，也没有考虑频谱灵活光网络的负载属性，也没有对每一条光纤链路进行负载大小进行评估，更没有评估所选择工作路径中的每一条光纤负载情况。若找到连接请求的工作路径，则工作路由计算成功，如果没有找到可用路径，则建立路径失败。
2)频谱资源分配。在工作路径路由计算成功后，根据连接请求的带宽需求，在所选择的工作路径中查找可用的频谱资源，可用的频谱资源必须满足频谱连续性和频谱一致性的双重约束条件。若找到连接请求的频谱资源，为连接请求预留频谱资源。然而，对于所选择的工作路径频谱占用率并没有考虑，也没有研究连接请求分配了频谱资源后对光纤链路的负载影响。因此，当前某些链路负载过重的光纤链路时，连接请求因频谱资源不足而造成资源分配失败。
上述步骤能够在频谱灵活光网络中成功建立连接请求。然而，一方面，无法保证连接请求的可靠性传输，没法降低连接请求传输路径潜在的故障概率；另一方面，没有考虑到连接请求所建立工作路径中光纤链路的负载使用情况。可见，针对上述两个存在的问题，在连接请求建立过程中，一方面，为了保证连接请求的服务质量，以频谱灵活光网络的光纤链路发生故障概率作为基础，引入连接请求的工作路径故障概率评估机制，以便减少连接请求在传输工作路径发生故障的概率。另一方面，在频谱灵活光网络中，为了避免某些光纤链路因频谱资源过度消耗而导致光纤链路没有可用频谱资源，从而引起光纤链路占用的频谱资源不均衡特性。因此，本发明将结合连接请求工作路径的故障概率与光纤链路的负载占用情况，提出频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法和系统。
利用所提出的频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法和系统，可以有效减少连接请求所选择工作路径潜在的故障概率，减少因光纤链路发生故障而引起连接请求的损失，提高频谱灵活光网络的传输路径可靠性。同时，通过引入光纤链路负载均衡方法，给予频谱灵活光网络中负载较轻的光纤链路优先选择的权利，并根据连接请求占用光纤链路频谱资源的情况，动态地调整频谱灵活光网络的光纤链路的权重，避免因某些光纤链路频谱资源消耗过多而导致光纤链路负载不均衡，提高连接请求成功建立概率，减少连接请求阻塞率。因此，需要综合频谱灵活光网络的故障概率因素和光纤链路的负载情况，找出最优化的连接请求在频谱灵活光网络建立方法，既要减少连接请求建立工作路径的故障概率，也要满足光纤链路的频谱资源负载均衡性，使频谱灵活光网络的频谱资源处于最佳状态，以提高频谱灵活光网络的频谱效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法和系统，既使连接请求的故障概率最小化，也使频谱灵活光网络光纤链路负载基本保持平衡，进而避免了频谱灵活光网络出现某些光纤链路因频谱资源消耗过多，而导致连接请求在这些光纤链路容易发生阻塞。
为达到上述发明目的，本发明频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法，包括：
在计算工作路径过程中，对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，对从源节点s到目的节点d之间工作路径进行故障概率F(x)的评估；
根据每条光纤链路的频谱占用率ρ(x)，动态地调整每一条光纤链路的权重，光纤链路被占用的频谱间隙数量越小，越有优先选择权利，以使连接请求选择负载较轻的光纤链路作为传输路径；
引入故障概率和光纤链路负载调节参数α，使故障概率与光纤链路负载数值无量纲化，通过以下式子来表述，
Z(x)＝α×F(x)+(1-α)×ρ(x)
式中，Z(x)表示故障概率与光纤链路负载均衡折衷的数值；α表示调节参数，α∈[0，1]；F(x)表示工作路径x的故障概率；ρ(x)表示工作路径x的频谱占用率；
对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，从源节点s到目的节点d之间找出K条工作路径，用集合KP∈{k1，k2，...，kK}表示这K条路径，然后在这K条工作路径中，找出故障概率与光纤链路负载均衡折衷的最小Z(x)值，即：
Minimize Z(x)，x∈KP
式中，Minimize代表对K条工作路径查找Z(x)最小值操作，找出Z(x)最小值的路径x作为连接请求CR(s,d,FS)的工作路径；
根据连接请求CR(s,d,FS)所需的频谱间隙数FS，在所选择的工作路径中，分配频谱资源，
若同时满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，建立连接请求CR(s,d,FS)；
若不满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件中至少一个条件，则连接请求建立失败。
进一步地，所述的从源节点s到目的节点d之间工作路径进行故障概率F(x)的评估具体包括：
在光纤链路(k,l)上故障概率用符号pk，l表示，pk，l∈(0，1)，从源节点s到目的节点d之间某条工作路径x的可靠性是这条路径各段链路可靠性的乘积，用Π(k，l)∈x(1-pk，l)表示；这条工作路径的故障概率用F(x)表示，即
F(x)＝１-Π(k，l)∈x(1-pk，l)。
进一步地，所述的每条光纤链路的频谱占用率ρ(x)的获取方法具体包括：
在光纤链路(k,l)中，利用以下公式计算出已经预留的频谱间隙的数目：
Figure BDA0001348287530000041
其中S(k，l)和|F|分别表示光纤链路(k,l)上的频率间隙的总占用数目和频率间隙的总数，si表示第i个索引的频谱间隙fi的是否被占用，用以下式子表示：
Figure BDA0001348287530000042
如果频谱间隙fi已经为连接请求占用，则si＝1，否则si＝0，连接请求在工作路径x上，频谱占用率为：
Figure BDA0001348287530000051
式中，ρ(x)和H表示工作路径x的频谱占用率和工作路径上总的跳数。
进一步地，还包括对频谱灵活光网络进行初始化，设置频谱灵活光网络的拓扑信息、网络连接状态、网络光交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目、每个频谱隙的带宽大小；在频谱灵活光网络G(V,E,F)中，其中V＝{v1，v2，v3，...，v|V|}表示一组光交换节点，E＝{e1，e2，e3，...，e|E|}表示一组光纤链路，F＝{f1，f2，f3，...，f|F|}是可用频谱间隙的集合；|V|、|E|、|F|分别表示网络光交换节点的数量、光纤链路的数量、频率间隙的数量；从节点k到节点l的光纤链路将由(k,l)表示，其中k,l∈V；已知一组连接请求集合CR，每一个连接请求，CR(s,d,FS)∈CR，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示在所需频谱间隙数目方面的带宽需求。
为达到上述发明目的，本发明频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统，包括：
连接请求产生模块：根据源节点与目的节点均匀分布产生连接请求，设置连接请求数目、不同连接请求的源节点与目的节点、带宽需求信息；
工作路径计算模块：根据连接请求的源节点与目的节点，采用K条最短路径算法，计算出多条候选工作路径；
路径故障概率计算模块：对于每一个连接请求，根据故障概率计算方法，从源节点到目的节点计算出多条候选的工作路径的故障概率，从中选择出故障概率最优的路径作为连接请求的传输工作路径；
负载均衡调节模块：用于根据每条光纤链路的频谱占用率ρ(x)，动态地调整每一条光纤链路的权重，光纤链路被占用的频谱间隙数量越小，越有优先选择权利，以使连接请求选择负载较轻的光纤链路作为传输路径；
故障概率与负载均衡折衷模块：综合候选K条工作路径的故障概率与负载占用情况，根据所提出的故障概率与负载均衡折衷方法，使连接请求选择最优的工作路径，实现故障概率与频谱灵活光网络负载均衡折衷，其中所述的故障概率与负载均衡折衷方法具体包括：
引入故障概率和光纤链路负载调节参数α，使故障概率与光纤链路负载数值无量纲化，通过以下式子来表述，
Z(x)＝α×F(x)+(1-α)×ρ(x)
式中，Z(x)表示故障概率与光纤链路负载均衡折衷的数值；α表示调节参数，α∈[0，1]；F(x)表示工作路径x的故障概率；ρ(x)表示工作路径x的频谱占用率；
对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，从源节点s到目的节点d之间找出K条工作路径，用集合KP∈{k1，k2，...，kK}表示这K条路径，然后在这K条工作路径中，找出故障概率与光纤链路负载均衡折衷的最小Z(x)值，即：
Minimize Z(x)，x∈KP
式中，Minimize代表对K条工作路径查找Z(x)最小值操作，找出Z(x)最小值的路径x作为连接请求CR(s,d,FS)的工作路径；
频谱资源分配模块：根据连接请求CR(s,d,FS)所需的频谱间隙数FS，在所选择的工作路径中，根据连接请求的带宽需求，查找满足连接请求所需的带宽资源，
若同时满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，建立连接请求CR(s,d,FS)；
若不满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件中至少一个条件，则连接请求建立失败。
进一步地，还包括故障概率设置模块：根据频谱灵活光网络的特点，评估每一段光纤链路发生故障的概率，设置每条光纤链路的故障概率大小。
进一步地，还包括网络初始化模块，用于对频谱灵活光网络进行初始化，设置频谱灵活光网络的拓扑信息、网络连接状态、网络光交换节点的数目、光纤链路的数目、每条光纤链路的频谱隙数目、每个频谱隙的带宽大小。
进一步地，路径故障概率计算模块运行故障概率公式进行从源节点s到目的节点d之间工作路径的故障概率F(x)的评估，所述的故障概率公式为：
F(x)＝1-∏(k，l)∈x(1-pk，l)
其中，在光纤链路(k,l)上故障概率用符号pk，l表示，pk，l∈(0，1)。
进一步地，负载均衡调节模块通过运行频谱占用率ρ(x)公式获取工作路径x的频谱占用率，其中，
在光纤链路(k,l)中，利用以下公式计算出已经预留的频谱间隙的数目：
Figure BDA0001348287530000071
式中S(k，l)和|F|分别表示光纤链路(k,l)上的频率间隙的总占用数目和频率间隙的总数，si表示第i个索引的频谱间隙fi的是否被占用，用以下式子表示：
Figure BDA0001348287530000072
如果频谱间隙fi已经为连接请求占用，则si＝1，否则si＝0，连接请求在工作路径x上，频谱占用率为：
Figure BDA0001348287530000073
式中，H表示工作路径上总的跳数。
进一步地，还包括：判决模块和预警模块。判决模块，用于执行各个模块之间的判决功能，实现各个模块之间的协调功能；预警模块，用于各个模块之间协调执行的预警功能，以保证各个模块能够正确运行。
借由上述方案，本发明频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法和系统至少具有以下优点：
本发明在频谱灵活光网络中，为了避免某些光纤链路因频谱资源过度消耗，通过引入光纤链路负载均衡方法，给予频谱灵活光网络中负载较轻的光纤链路优先选择的权利，并根据连接请求占用光纤链路频谱资源的情况，动态地调整频谱灵活光网络的光纤链路的权重，使频谱灵活光网络的光纤链路负载达到均衡。
综合频谱灵活光网络的故障概率因素和光纤链路的负载情况，找出连接请求的故障概率和负载均衡折衷方法，既要减少连接请求建立工作路径的故障概率，又要满足光纤链路负载均衡性，选择频谱灵活光网络的故障概率与频谱资源最佳工作路径，提高连接请求成功建立概率，减少连接请求阻塞率，达到故障概率和负载均衡最佳折衷状态。
因此，本发明减少连接请求建立连接请求的潜在故障风险，同时提高频谱灵活光网络光纤链路的资源均衡性，减少连接请求阻塞率，提高频谱资源效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法的流程图；
图2是本发明频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统框图；
图3是本发明频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法实施例中建立三个连接请求CR1(0,3,2)、CR2(0,3,2)、CR3(0,3,2)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本发明一较佳实施例所述的一种频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法，其特征在于，包括：
在频谱灵活光网络G(V,E,F)中，其中V＝{v1，v2，v3，...，v|V|}表示一组光交换节点，E＝{e1，e2，e3，...，e|E|}表示一组光纤链路，F＝{f1，f2，f3，...，f|F|}是可用频谱间隙的集合。|V|、|E|、|F|分别表示网络光交换节点的数量、光纤链路的数量、频率间隙的数量；从节点k到节点l的光纤链路将由(k,l)表示，其中k,l∈V。已知一组连接请求集合CR，每一个连接请求，CR(s,d,FS)∈CR，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示在所需频谱间隙数目方面的带宽需求。
在计算工作路径过程中，对于每一个连接请求，CR(s,d,FS)，为了减少连接请求工作路径潜在的故障概率，需要对从源节点s到目的节点d之间工作路径进行故障概率的评估。考虑光纤链路的故障事件在计算路径的故障概率是独立的，其中在光纤链路(k,l)上故障概率用符号pk，l表示，这里pk，l∈(0，1)。这样，从源节点s到目的节点d之间某条工作路径x的可靠性是这条路径各段链路可靠性的乘积，用П(k，l)∈x(1-pk，l)表示。因此，这条工作路径的故障概率用F(x)表示，即
F(x)＝1-П(k，l)∈x(1-pk，l) (1)
在频谱灵活光网络中，为了避免某些光纤链路因频谱资源消耗过多而导致链路不平衡的情况，根据每条光纤链路的频谱占用率，动态地调整每一条光纤链路的权重，以使连接请求尽可能地选择负载较轻的光纤链路作为传输路径，即光纤链路被占用的频谱间隙数量越小，越有优先选择权利。这样，频谱间隙数越多的光纤链路，越有利于连接请求CR(s,d,FS)分配所需要的带宽需求。考虑光纤链路的频谱占用状态对连接请求CR(s,d,FS)建立的影响，沿着从源节点s到目的节点d之间某条工作路径x，需要考虑每一段光纤链路(k,l)的频谱间隙占用数目。在光纤链路(k,l)中，利用公式以下公式可以计算出已经预留的频谱间隙的数目：
Figure BDA0001348287530000091
其中S(k，l)和|F|分别表示光纤链路(k,l)上的频率间隙的总占用数目和频率间隙的总数，si表示第i个索引的频谱间隙fi的是否被占用，用以下式子表示：
Figure BDA0001348287530000092
如果频谱间隙fi已经为连接请求占用，则si＝1，否则si＝0。因此，连接请求在工作路径x上，频谱占用率为：
Figure BDA0001348287530000093
其中，ρ(x)和H表示工作路径x的频谱占用率和工作路径上总的跳数。
为了更好地建立连接请求CR(s,d,FS)，一方面，尽最大可能地减少所选择工作路径潜在的故障概率；另一方面，在频谱灵活光网络中，为了使连接请求更好地找到可用的频谱资源，需要考虑光纤链路负载占用情况，尽最大可能地选择负载较轻的光纤链路作为其传输的链路，给予负载较轻的光纤链路优先选择的权利，避免因某些光纤链路频谱资源消耗过多而导致光纤链路负载不均衡。为了使频谱灵活光网络故障概率和光纤链路负载获得最优化，建立频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方案。为了实现故障概率和负载均衡折衷方案，通过引入故障概率和光纤链路负载调节参数α，使故障概率与光纤链路负载数值无量纲化。这样可以通过以下式子来表述，
Z(x)＝α×F(x)+(1-α)×ρ(x) (5)
其中，Z(x)、α、F(x)、ρ(x)分别表示故障概率与光纤链路负载均衡折衷的数值、调节参数(满足α∈[0，1])、工作路径x的故障概率、工作路径x的频谱占用率。故障概率与光纤链路负载均衡折衷的数值Z(x)的值越小，代表着频谱灵活光网络的故障概率越小和占用的频谱间隙越少，这样有利于降低连接请求的故障概率和提高分配的频谱资源成功率。
对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，从源节点s到目的节点d之间找出K条工作路径，用集合KP∈{k1，k2，...，kK}表示这K条路径，然后在这K条工作路径中，找出故障概率与光纤链路负载均衡折衷的最小Z(x)值，即：
Minimize Z(x)，x∈KP (6)
这里Minimize代表对K条工作路径查找Z(x)最小值操作。根据式(6)操作，找出Z(x)最小值的路径x作为连接请求CR(s,d,FS)的工作路径。
根据连接请求CR(s,d,FS)所需的频谱间隙数FS，在所选择的工作路径中，分配频谱资源，并且满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件。这样，在频谱灵活光网络中，建立连接请求CR(s,d,FS)。
本实施例中，根据给定的一组连接请求，执行频谱灵活光网络初始化、工作路径计算、故障概率评估、频谱资源分配、负载均衡调节，优化故障概率与光纤链路负载均衡折衷方法，以建立连接请求，完成频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法。对频谱灵活光网络的故障概率与光纤链路负载均衡特性，着重找出故障概率和负载均衡折衷的优化路径，使故障概率与光纤链路负载基本保持平衡，解决了连接请求在频谱灵活光网络传输较低故障概率和避免光纤链路的负载均衡问题。因此，减少连接请求建立连接请求的潜在故障风险，同时提高频谱灵活光网络光纤链路的资源均衡性，减少连接请求阻塞率，提高频谱资源效率。
实施例2
如图2所示，本实施例频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统，包括：
网络初始化模块：设置频谱灵活光网络的拓扑信息、网络连接状态、网络光交换节点的数目、光纤链路的数目、每条光纤链路的频谱隙数目、每个频谱隙的带宽大小。
连接请求产生模块：根据源节点与目的节点均匀分布产生连接请求，设置连接请求数目、不同连接请求的源节点与目的节点、带宽需求等信息。
工作路径计算模块：根据连接请求的源节点与目的节点，采用K条最短路径算法，计算出多条候选工作路径，使连接请求更好地接入频谱灵活光网络。
路径故障概率计算模块：对于每一个连接请求，根据所提出的故障概率计算方法，从源节点与目的节点计算出多条候选的工作路径的故障概率，从中选择出故障概率最优的路径作为连接请求的传输工作路径。
本实施例中，路径故障概率计算模块运行故障概率公式进行从源节点s到目的节点d之间工作路径的故障概率F(x)的评估，所述的故障概率公式为：
F(x)＝1-Π(k，l)∈x(1-pk，l)
其中，在光纤链路(k,l)上故障概率用符号pk，l表示，pk，l∈(0，1)。
负载均衡调节模块：对于每一个连接请求，考虑到频谱灵活光网络负载占用情况，给予负载较轻的光纤链路优先选择的权利，避免因某些光纤链路频谱资源消耗过多而使连接请求无法建立，从而提高连接请求成功接入频谱灵活光网络的数目。
本实施例中，负载均衡调节模块通过运行频谱占用率ρ(x)公式获取工作路径x的频谱占用率，其中，
在光纤链路(k,l)中，利用以下公式计算出已经预留的频谱间隙的数目：
Figure BDA0001348287530000121
式中S(k，l)和|F|分别表示光纤链路(k,l)上的频率间隙的总占用数目和频率间隙的总数，si表示第i个索引的频谱间隙fi的是否被占用，用以下式子表示：
Figure BDA0001348287530000122
如果频谱间隙fi已经为连接请求占用，则si＝1，否则si＝0，连接请求在工作路径x上，频谱占用率为：
Figure BDA0001348287530000123
式中，H表示工作路径上总的跳数。
故障概率与负载均衡折衷模块：综合候选K条工作路径的故障概率与负载占用情况，根据所提出的故障概率与负载均衡折衷方法，使连接请求选择最优的工作路径，实现故障概率与频谱灵活光网络负载均衡折衷。
本实施例中，所述的故障概率与负载均衡折衷方法具体包括：
引入故障概率和光纤链路负载调节参数α，使故障概率与光纤链路负载数值无量纲化，通过以下式子来表述，
Z(x)＝α×F(x)+(1-α)×ρ(x)
式中，Z(x)表示故障概率与光纤链路负载均衡折衷的数值；α表示调节参数，α∈[0，1]；F(x)表示工作路径x的故障概率；ρ(x)表示工作路径x的频谱占用率；
对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，从源节点s到目的节点d之间找出K条工作路径，用集合KP∈{k1，k2，...，kK}表示这K条路径，然后在这K条工作路径中，找出故障概率与光纤链路负载均衡折衷的最小Z(x)值，即：
Minimize Z(x)，x∈KP
式中，Minimize代表对K条工作路径查找Z(x)最小值操作，找出Z(x)最小值的路径x作为连接请求CR(s,d,FS)的工作路径。
频谱资源分配模块：根据连接请求CR(s,d,FS)所需的频谱间隙数FS，在所选择的工作路径中，根据连接请求的带宽需求，查找满足连接请求所需的带宽资源。在带宽资源分配过程中，满足频谱连续性和频谱一致性双重约束条件，实现频谱资源有效分配。
进一步地，本实施例可以通过不同模块之间的相互协作完成频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统。本发明系统还需要包括判决模块和预警模块。判决模块，用于执行各个模块之间的判决功能，实现各个模块之间的协调功能；预警模块，用于各个模块之间协调执行的预警功能，以保证各个模块能够正确运行。
进一步地，本实施例还可以包括故障概率设置模块：根据频谱灵活光网络的特点，评估每一段光纤链路发生故障的概率，设置每条光纤链路的故障概率大小。
本实施例中运用了连接请求的工作路径故障概率评估机制，降低连接请求在频谱灵活光网络中的故障概率，保证连接请求的服务质量，以便减少连接请求在传输路径发生故障的概率。
图3表示在频谱灵活光网络中，频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法建立一组连接请求的具体应用实例。拓扑图表示频谱灵活光网络，每一条连接线表示双向的光纤链路，光纤链路的容量为6个频谱隙；光纤链路上的数值表示故障概率，限制在(0,10-3)的范围内；生成三个连接请求CR1(0,3,2)、CR2(0,3,2)、CR3(0,3,2)，它们都是从源节点0到目的节点3，带宽需求为2个频谱隙。对于第一个连接请求CR1(0,3,2)，设置计算的路径为K＝2，从源节点0到目的节点3计算2条路径，即为0-1-2-3和0-5-4-3。根据故障概率计算公式(1)，路径0-1-2-3和0-5-4-3的故障概率为：1.8×10-3和2.3×10-3；根据公式(4)计算路径0-1-2-3和0-5-4-3的频谱占用率，分别为0和0。设置故障概率和光纤链路负载调节参数α＝0.5，根据公式(5)，可以计算出路径0-1-2-3和0-5-4-3的故障概率和光纤链路负载折衷的数值，分别为0.9×10-3和1.15×10-3；根据公式(6)，可以找出故障概率与光纤链路负载均衡折衷方案的最小Z(x)值，即Z(0-1-2-3)＝0.9×10-3，这条路径0-1-2-3作为连接请求CR1(0,3,2)的工作路径，并在所选择的路径0-1-2-3中，分配连接请求CR1(0,3,2)的带宽需求，建立CR1(0,3,2)连接请求。
同样，在频谱灵活光网络中，用上述同样的方法建立连接请求CR2(0,3,2)，即CR2(0,3,2)选择路径0-5-4-3作为工作路径，并在这条路径上分配频谱资源；对于连接请求CR3(0,3,2)，则选择路径0-1-2-3作为工作路径，并在这条路径上分配频谱资源。最终，三个连接请求CR1(0,3,2)、CR2(0,3,2)、CR3(0,3,2)建立如图2所示的工作状态，使频谱灵活光网络达到故障概率和负载均衡折衷状态。
上述各实施例中，为了建立连接请求，首先需要对频谱灵活光网络进行初始化，并对光纤链路进行，设置频谱灵活光网络的光纤链路故障概率，生成一组连接请求；其次，为每个连接请求计算K条路径，计算每条工作路径的故障概率，并在每条工作路径上查找满足连接请求的频谱资源；最后，设置故障概率和光纤链路负载调节参数，并计算K条路径的故障概率和光纤链路负载折衷的数值，选择最小折衷数值的路径作为连接请求的工作路径，并在所选择的路径中，分配连接请求的带宽需求，建立连接请求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法，其特征在于，包括：
在计算工作路径过程中，对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，对从源节点s到目的节点d之间工作路径进行故障概率F(x)的评估；
根据每条光纤链路的频谱占用率ρ(x)，动态地调整每一条光纤链路的权重，光纤链路被占用的频谱间隙数量越小，越有优先选择权利，以使连接请求选择负载较轻的光纤链路作为传输路径；
引入故障概率和光纤链路负载调节参数α，使故障概率与光纤链路负载数值无量纲化，通过以下式子来表述，
Z(x)＝α×F(x)+(1-α)×ρ(x)
式中，Z(x)表示故障概率与光纤链路负载均衡折衷的数值；α表示调节参数，α∈[0，1]；F(x)表示工作路径x的故障概率；ρ(x)表示工作路径x的频谱占用率；
对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，从源节点s到目的节点d之间找出K条工作路径，用集合KP∈{k1，k2，...，kK}表示这K条路径，然后在这K条工作路径中，找出故障概率与光纤链路负载均衡折衷的最小Z(x)值，即：
Minimize Z(x)，x∈KP
式中，Minimize代表对K条工作路径查找Z(x)最小值操作，找出Z(x)最小值的路径x作为连接请求CR(s,d,FS)的工作路径；
根据连接请求CR(s,d,FS)所需的频谱间隙数FS，在所选择的工作路径中，分配频谱资源，
若同时满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，建立连接请求CR(s,d,FS)；
若不满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件中至少一个条件，则连接请求建立失败。
2.根据权利要求1所述的频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法，其特征在于，所述的从源节点s到目的节点d之间工作路径进行故障概率F(x)的评估具体包括：
在光纤链路(k,l)上故障概率用符号pk，l表示，pk，l∈(0，1)，从源节点s到目的节点d之间某条工作路径x的可靠性是这条路径各段链路可靠性的乘积，用Π(k，l)∈x(1-pk，l)表示；这条工作路径的故障概率用F(x)表示，即
F(x)＝1-Π(k，l)∈x(1-pk，l)。
3.根据权利要求1所述的频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法，其特征在于，所述的每条光纤链路的频谱占用率ρ(x)的获取方法具体包括：
在光纤链路(k,l)中，利用以下公式计算出已经预留的频谱间隙的数目：
Figure FDA0001348287520000021
其中S(k，l)和|F|分别表示光纤链路(k,l)上的频率间隙的总占用数目和频率间隙的总数，si表示第i个索引的频谱间隙fi的是否被占用，用以下式子表示：
Figure FDA0001348287520000022
如果频谱间隙fi已经为连接请求占用，则si＝1，否则si＝0，连接请求在工作路径x上，频谱占用率为：
Figure FDA0001348287520000023
式中，ρ(x)和H表示工作路径x的频谱占用率和工作路径上总的跳数。
4.根据权利要求1所述的频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷方法，其特征在于，还包括对频谱灵活光网络进行初始化，设置频谱灵活光网络的拓扑信息、网络连接状态、网络光交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目、每个频谱隙的带宽大小；在频谱灵活光网络G(V,E,F)中，其中V＝{v1，v2，v3，...，v|V|}表示一组光交换节点，E＝{e1，e2，e3，...，e|E|}表示一组光纤链路， F＝{f1，f2，f3，...，f|F|}是可用频谱间隙的集合；|V|、|E|、|F|分别表示网络光交换节点的数量、光纤链路的数量、频率间隙的数量；从节点k到节点l的光纤链路将由(k,l)表示，其中k,l∈V；已知一组连接请求集合CR，每一个连接请求，CR(s,d,FS)∈CR，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示在所需频谱间隙数目方面的带宽需求。
5.一种频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统，其特征在于，包括：
连接请求产生模块：根据源节点与目的节点均匀分布产生连接请求，设置连接请求数目、不同连接请求的源节点与目的节点、带宽需求信息；
工作路径计算模块：根据连接请求的源节点与目的节点，采用K条最短路径算法，计算出多条候选工作路径；
路径故障概率计算模块：对于每一个连接请求，根据故障概率计算方法，从源节点到目的节点计算出多条候选的工作路径的故障概率，从中选择出故障概率最优的路径作为连接请求的传输工作路径；
负载均衡调节模块：用于根据每条光纤链路的频谱占用率ρ(x)，动态地调整每一条光纤链路的权重，光纤链路被占用的频谱间隙数量越小，越有优先选择权利，以使连接请求选择负载较轻的光纤链路作为传输路径；
故障概率与负载均衡折衷模块：综合候选K条工作路径的故障概率与负载占用情况，根据所提出的故障概率与负载均衡折衷方法，使连接请求选择最优的工作路径，实现故障概率与频谱灵活光网络负载均衡折衷，其中所述的故障概率与负载均衡折衷方法具体包括：
引入故障概率和光纤链路负载调节参数α，使故障概率与光纤链路负载数值无量纲化，通过以下式子来表述，
Z(x)＝α×F(x)+(1-α)×ρ(x)
式中，Z(x)表示故障概率与光纤链路负载均衡折衷的数值；α表示调节参数，α∈[0，1]；F(x)表示工作路径x的故障概率；ρ(x)表示工作路径x的频谱占用率；
对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，从源节点s到目的节点d之间找出K条工作路径，用集合KP∈{k1，k2，...，kK}表示这K条路径，然后在这K条工作路径中，找出故障概率与光纤链路负载均衡折衷的最小Z(x)值，即：
Minimize Z(x)，x∈KP
式中，Minimize代表对K条工作路径查找Z(x)最小值操作，找出Z(x)最小值的路径x作为连接请求CR(s,d,FS)的工作路径；
频谱资源分配模块：根据连接请求CR(s,d,FS)所需的频谱间隙数FS，在所选择的工作路径中，根据连接请求的带宽需求，查找满足连接请求所需的带宽资源，
若同时满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，建立连接请求CR(s,d,FS)；
若不满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件中至少一个条件，则连接请求建立失败。
6.根据权利要求5所述的频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统，其特征在于，还包括故障概率设置模块：根据频谱灵活光网络的特点，评估每一段光纤链路发生故障的概率，设置每条光纤链路的故障概率大小。
7.根据权利要求5所述的频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统，其特征在于，还包括网络初始化模块，用于对频谱灵活光网络进行初始化，设置频谱灵活光网络的拓扑信息、网络连接状态、网络光交换节点的数目、光纤链路的数目、每条光纤链路的频谱隙数目、每个频谱隙的带宽大小。
8.根据权利要求5所述的频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统，其特征在于，路径故障概率计算模块运行故障概率公式进行从源节点s到目的节点d之间工作路径的故障概率F(x)的评估，所述的故障概率公式为：
F(x)＝1-П(k，l)∈x(1-pk，l)
其中，在光纤链路(k,l)上故障概率用符号pk，l表示，pk，l∈(0，1)。
9.根据权利要求5所述的频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统，其特征在于，负载均衡调节模块通过运行频谱占用率ρ(x)公式获取工作路径x的频谱占用率，其中，
在光纤链路(k,l)中，利用以下公式计算出已经预留的频谱间隙的数目：
Figure FDA0001348287520000051
式中S(k，l)和|F|分别表示光纤链路(k,l)上的频率间隙的总占用数目和频率间隙的总数，si表示第i个索引的频谱间隙fi的是否被占用，用以下式子表示：
Figure FDA0001348287520000052
如果频谱间隙fi已经为连接请求占用，则si＝1，否则si＝0，连接请求在工作路径x上，频谱占用率为：
Figure FDA0001348287520000053
式中，H表示工作路径上总的跳数。
10.根据权利要求5所述的频谱灵活光网络的故障概率和负载均衡折衷系统，其特征在于，还包括：判决模块和预警模块， 判决模块，用于执行各个模块之间的判决功能，实现各个模块之间的协调功能；预警模块，用于各个模块之间协调执行的预警功能，以保证各个模块能够正确运行。
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