CN107360478A - 弹性光网络中的路由选择和频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弹性光网络中的路由选择和频谱分配方法。该方法包括：对于多个连接请求生成候选路由集合；遍历候选路由集合，选择占用总频隙数最少的路由集合作为工作路由集合；为工作路由集合分配频隙。本发明的方法以多个请求占用的总频隙数作为依据选择工作路由集合，从全局角度提高了频谱利用率；并且当连接请求的带宽变化时，可以根据本发明的方法来动态改变工作路由，提高的路由和频谱的适配性。

Description

弹性光网络中的路由选择和频谱分配方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种用于弹性光网络的路由选择和频谱分配方法。

背景技术

随着宽带业务、数据中心与云计算业务的快速发展，弹性光网络凭借其高效的频谱利用率，正在逐渐代替目前常用的波分复用网络，以应对业务流量爆炸式增长带来的压力。

相对于波分复用网络中采取的固定频谱栅格的资源分配方式，弹性光网络基于光正交频分复用(Optical Orthogonal Frequency Division Multiplex，O-OFDM)多载波调制技术，频谱资源可以被切割成较小的频隙，如12.5GHz，带宽请求的适配更加的灵活，然而这也使得弹性光网络中路由选择和频谱分配问题更加复杂，如何根据当前的宽带请求选择合适的路径并分配频隙，以提高频谱资源利用率是弹性光网络的重点研究内容。

在现有技术中，通常是单纯选择最短路径或者单纯选择可用频隙最多的路径，这种方式没有从全局角度综合考虑路由和频谱的适配，导致频谱利用率低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种弹性光网络中的路由选择和频谱分配方法。该方法包括：

步骤1：对于多个连接请求生成候选路由集合；

步骤2：遍历所述候选路由集合，选择占用总频隙数最少的路由集合作为工作路由集合；

步骤3：为所述工作路由集合分配频隙。

在本发明的发明中，步骤1包括：

步骤11：在用于反映所述多个连接请求情况的原始拓扑中，为一连接请求选择K条不同路径，其中，K大于等于2；

步骤12，遍历K条路径，计算已选择路径的当前频隙占用数和预估的最佳频隙占用数；

步骤13：在当前频隙占用数大于预估的最佳频隙占用数的情况下，从原始拓扑中删除已选路径，生成新的拓扑；

步骤14：在新的拓扑中，为下一个连接请求选择K条路径，重复执行步骤22和23，直到处理完所有的连接请求。

在本发明的方法中，所选择的K条路径是包含跳数最少的K条路径。

在本发明的方法中，所选择的K条路径没有相交边。

在本发明的方法中，对于在新的拓扑中找不到任何一条路径的连接请求，在原始拓扑中重新选择路径。

在本发明的方法中，在步骤1中，根据连接请求的单条链路需要的带宽，从大到小依次处理所述多个连接请求。

在本发明的方法中，所述预估的最佳频隙数是已分配路径所需的频隙数和未分配路径所需频隙数之和。

在本发明的方法中，在步骤3中，根据以下原则为所述工作路由集合分配频隙：对于连接请求i，设所选择的工作路由是path_i，分配频隙为从a_i至b_i连续分配，对于其余的连接请求j，设所选择的工作路径为path_j，设已分配的频隙为从a_j至b_j连续分配，其中path_i≠path_j，则为连接请求i分配的频隙是：

a_i＝b_j+1，b_i＝a_i+N_path，如果path_i与path_j相交；

a_i＝a_j，b_i＝a_i+N_path，如果path_i与path_j不相交，其中，N_path为连接请求i所需的频隙数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：以多个请求占用的总频隙数作为依据选择最优的工作路由集合，从全局角度提高了频谱利用率，并且当连接请求的带宽变化时，可以根据本发明的方法来动态改变工作路由集合，提高的路由和频谱的适配性。

附图说明

以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

图1示出了原始拓扑和标线示意图；

图2示出了基于图1的路径交叉示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的路由选择和频谱分配方法的流程图；

图4示出了根据本发明一个实施例的原始拓扑和剪枝后的拓扑图；

图5示出了根据本发明一个实施例的原始拓扑和剪枝后的拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于弹性光网络中的路由选择和频谱分配的方法。概括而言，本发明的方法包括两部分，一是首先根据跳数选择K个最短路径作为候选路径集合；二是根据反映连接请求的原始拓扑图生成路径交叉图，并选择具有最小间隔色数的路径集合，作为最优路径集合。

为了使下文的描述更清楚，首先介绍原始拓扑图、路径交叉图和间隔色数的概念。

图1所示为原始拓扑图，图中的A、B、C、D、E、F、G、H表示弹性光网络中的节点，即路由器，标线1-8指示连接请求1至8的源节点到目的节点的已选择路径，例如，标线1指示请求C至G建立连接，路径为C-F-H-G；标线2表示请求A至C建立连接，路径为A-C；标线3表示A至D建立连接，路径为A-B-D；标线4表示D至H建立连接，路径为D-G-H；标线5表示A至H建立连接，路径为A-C-F-H；标线6表示A至G建立连接，路径为A-B-D-G；标线7表示请求B至E建立连接，路径为B-D-E；标线8表示C至D建立连接，路径为C-E-D。

图2示出了根据图1的原始拓扑的路径之间的关系生成的路径交叉图，其用于表示原始拓扑图中各路径之间的共有连线情况，例如，顶点1与顶点4相连是因为标线1与标线4有共同的连线G-H，顶点1与顶点5相连是因为标线1与标线5有共同的连线C-F-H，需说明的是，只需有一条共同连线即可使得顶点相连。

为各个连接请求建立光传输的路由/路径，即确定从源节点到目的节点需要经过的节点，以及路径上两个相邻节点之间需要的频隙数和频隙编号，从而确定光传输的频谱带宽。例如，各请求需要的频隙数如下表所示，其中，V表示路径交叉图的顶点，W代表权数，即连线所需要的频隙数，如V＝1，W＝5代表标线1的权数为5，即需要5个频隙。在实际应用中，频隙数可根据连接请求的带宽、信号的调制等级等因素确定，本文将在频隙数已知的情况下，重点介绍选择路由和分配频隙的方法。

V	1	2	3	4	5	6	7	8
									W	5	2	1	3	2	7	3	1

在弹性光网络中，频隙分配必须遵守以下原则：1)频谱一致性，即沿路由的每条链路上所分配的频谱资源必须是相同的；2)频隙连续性，即一个特定的路由所包含的链路上使用的频隙是连续的，这是因为弹性光网络是基于OFDM的，只有连续的、相邻的频隙之间才能正交。

为了清楚起见，为各条路径分配频隙的过程可拟合成加权图着色的问题。设加权图为G(V，E，W)，其中，G对应路径交叉图，V代表顶点集合，E代表连线，W代表各顶点的权，即频隙数。用C(V)表示间隔色数函数，即顶点V的最小着色数，对于G中相互连接的顶点m和n，当C(m)≤C(n)时，间隔色数函数必须满足：

C(m)+W(m)-1<C(n)

其中，W(m)为节点m所需频隙数，因此，分配给顶点m的颜色可以为[C(m),(C(m)+1)，…,(C(m)+W(m)–1)]，且顶点m和顶点n不会撞色。如果用N个颜色能够对加权图G进行着色，则可称加权图G是间隔N色的。

在本发明中，在对多个连接请求进行路由选择时，将以最小间隔色数(即最小频隙占用数)作为选择最优路由集合的依据。

图3示出了根据本发明一个实施例的路由选择和频谱分配方法的流程图。具体包括以下步骤：

第一步、对所有连接请求进行排序

为了便于处理和说明，在此步骤中按照请求带宽进行排序。例如，为了首先为高带宽请求分配资源，然后为较低的带宽请求分配资源，可按照请求带宽从高到低进行降序排序，对各个连接请求进行升序编号，从编号最低的请求开始进行路由选择。

例如，对于图4的原始拓扑G，假设有三个请求，分别为：(E，G，10)，(B，C，3)，(E，B，7)，其中，(E，G，10)表示在节点E和节点G之间建立路由/路径，单条链路上请求的带宽为10个频隙，(B，C，3)表示在节点B节点和节点C之间建立路由，单条链路上请求的带宽为3个频隙，同理，(E，B，7)表示在节点E和节点B之间建立路由，单条链路上请求的带宽为7个频隙；对所有请求进行升序排序，即有r₀＝(E，G，10)、r₁＝(E，B，7)、r₂＝(B，C，3)。

第二步、对于每个请求选择最短路径并计算所需的频隙数

此步骤中，基于原始拓扑图，为每个请求选择最短路径并计算所选路径需要的频隙数，形成(编号，频隙数)分配二元组，其中，最短路径指包含跳数最少的路径。

例如，仍参见图4所示的原始拓扑G，对于r₀，最短路径为E→D→G；对于r₁，最短路径为E→D→B；对于r₂，最短路径为B→A→C，由于在弹性光网络中，沿路由的每条链路上所分配的频谱资源必须是相同，因此，在生成的二元组中，每个请求对应的频隙数是单条链路所需的频隙数与所选路径的链路数(即连线数)的乘积，如E→D→G包括E→D，D→G两条连线，则该条路径所需频隙数为10*2＝20，则三个请求形成的二元组为{(0，20)，(1，14)，(2，6)}。

第三步、为所有请求选择最优路径集合

概括而言，此步骤包括：初始化当前的最优路径集合和频隙占用数等；为多个连接请求选择K个候选路由集合；从K个候选路由集合中选择一个频隙总占用数最小的路由集合作为最优路由集合。

下面以K＝2、具体介绍为三个连接请求r₀＝(E，G，10)、r₁＝(E，B，7)、r₂＝(B，C，3)进行路由选择和频谱分配的过程，其中，初始化当前的最优路径集合D_best＝Φ(空)、初始化频隙占用数OP_best＝∞(无穷大)，初始化连接请求i＝0。

首先，在图4(a)所示的原始拓扑G中，为第0个请求r₀＝(E，G，10)选择包含跳数最少的2条不同的路径，包括(E→D→G)和(E→F→H→G)两种情况，在此本步骤，优选地，选择不相交的2条路径。

a)在第0个请求r₀＝(E，G，10)选择路径E→D→G的情况下：

此时，已分配请求的累加频隙OP'＝20，未分配请求的累加频隙数OP＝14+6＝20，OP_best＝∞＞OP'+OP＝40，则继续为下一请求选择路径，并从原始拓扑G中去除(E，D)和(D，G)两个连线，形成新拓扑G'，参见图4(b)所示；

基于新拓扑G'，为第1个请求r₁＝(E，B，7)选择两条路径，分别为(E→F→C→A→B)和Φ(空)：当为第1个请求分配路径E→F→C→A→B时，此时未分配请求的累加频隙OP＝6，已分配请求的累加频隙OP'＝48(20+4*7)，OP_best＝∞＞OP'+OP＝54，从拓扑G'中删除(E，F)、(F，C)、(C，A)和(A，B)形成新拓扑G”，继续为下一请求进行资源分配；在新拓扑G”中，为第2个请求r₂＝(B，C，3)选择路径，由于在新拓扑G”中找不到任何一条路径，则从未分配请求的最小编号开始，即令i＝2，在原始拓扑中寻找路由；在原始拓扑G中，为第2个请求r₂＝(B，C，3)选择两条路径，分别为(B→A→C)和(B→D→E→F→C)，当为第2个请求分配路径B→A→C时，此时未分配请求的累加频隙OP＝0，已分配请求的累加频隙OP'＝10*|E|+6＝96(|E|代表原始拓扑G中的连线数)，OP_best＝∞＞OP'+OP＝96，所有请求分配完毕；计算当前资源占用，由于OP_best＝∞＞OP'＝96，则认为该路径集合D_best＝{(E→D→G)，(E→F→C→A→B)，(B→A→C)}是目前为止最优的路径集合。

为了进一步优化路径，考虑为第2个请求r2＝(B，C，3)分配路径B→D→E→F→C的情况。

当第2个请求r2＝(B，C，3)选择路径B→D→E→F→C时，此时未分配请求的累加频隙OP＝0，已分配需求的累加频隙OP'＝10*|E|+12＝102(|E|表示原始拓扑G中的连线数)，OP_best＝96＜OP'+OP＝102，剪枝操作，形成新拓扑(未示出)；在新拓扑中为第1个请求r1＝(E，B，7)分配路径为空，因此，对于r2＝(B，C，3)的分配路径B→D→E→F→C的情况，没有为所有请求找到路径集合。

b)在第0个请求r0＝(E，G，10)分配路径E→F→H→G的情况下：

此时，未分配请求的累加频隙数OP＝14+6＝20，已分配请求的累加频隙OP'＝30，OP_best＝96＞OP'+OP＝50，则继续为下一请求选择路径，从原始拓扑中去除(E，F)、(F，H)和(H，G)三个连线，形成新拓扑G'，参见图5(b)所示；

在新拓扑G'中，为第1个请求r₁＝(E，B，7)选择2条路径，分别为(E→D→B)和Φ(空)，当第1个请求分配路径E→D→B时，未分配请求的累加频隙OP＝6，已分配需求的累加频隙OP'＝44(30+14)，OP_best＝96＞OP'+OP＝50，从新拓扑G'中删除(E，D)和(D，B)形成新拓扑G”，参见图5(c)，继续为下一请求进行资源分配；

在新拓扑G”中，为第2个请求r₂＝(B，C，3)分配资源选择2条路径，分别为(B→A→C)和Φ(空)，当第2个请求分配路径B→A→C，此时未分配请求的累加频隙OP＝0，已分配需求的累加频隙OP'＝50(30+14+6)，OPbest＝96＞OP'+OP＝50，所有请求分配完毕，此次找到的路径集合为{(E→F→H→G)，(E→D→B)，(B→A→C)}；

计算当前资源占用，由于OP_best＝96＞OP'＝50，则认为第二次找到的路径集合D_best＝{(E→F→H→G)，(E→D→B)，(B→A→C)}是当前的最优路径，该路径集合所需的频隙占用数OP_best＝50。

因此，为所有请求找到的最优路径集合为：r₀＝(E，G，10)对应路径E→F→H→G，r₁＝(E，B，7)对应路径E→D→B，r₂＝(B，C，3)对应路径B→A→C。

第四步，为所选的最优路径集合分配频隙

在此步骤中，为了使用所选择的最优路径集合作为工作路径，需要为各个连接请求对应的路径分配进行光传输的频隙，以满足弹性光网络中频隙分配原则。

对于请求i，分配路径为path_i，设分配频隙为[a_i，b_i]，表示从a_i至b_i连续分配频隙；其余的请求通称为j，path_j∈Dbest，但path_i≠path_j，设分配频谱为[a_j，b_j]，即表示从a_j至b_j连续分配频隙。如果path_i与path_j相交，则a_i＝b_j+1，b_i＝a_i+N_path；否则，如果path_i与path_j不相交，则a_i＝a_j，b_i＝a_i+N_path，N_path为请求i所需的频隙数目。

例如，第三步中所选出的最优路径E→F→H→G，E→D→B和B→A→C互不相交，则为r₀＝(E，G，10)分配频隙[0，10]，为r₁＝(E，B，7)分配频隙[0，7]，为r₂＝(B，C，3)分配频隙[0，3]。

综上所述，在本发明的路由选择过程中，以多个请求占用的总频隙数作为依据选择最优路由集合，从全局角度提高了频谱利用率；而且，当连接请求的带宽变化时，可以根据本发明的方法来动态改变工作路由，提高的路由和频谱的适配性；此外，在路由选择过程中，采用首先为请求带宽最大的请求选择跳数最小的路径进行遍历，能够提高路由选择的效率。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种弹性光网络中的路由选择和频谱分配方法，包括：

步骤1：对于多个连接请求生成候选路由集合；

步骤2：遍历所述候选路由集合，选择占用总频隙数最少的路由集合作为工作路由集合；

步骤3：为所述工作路由集合分配频隙。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1包括：

步骤11：在用于反映所述多个连接请求情况的原始拓扑中，为一连接请求选择K条路径，其中，K大于等于2；

步骤12，遍历K条路径，计算已选择路径的当前频隙占用数和预估的最佳频隙占用数；

步骤13：在当前频隙占用数大于预估的最佳频隙占用数的情况下，从原始拓扑中删除已选路径，生成新的拓扑；

步骤14：在新的拓扑中，为下一个连接请求选择K条路径，重复执行步骤22和23，直到处理完所有的连接请求。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在步骤11中，所选择的K条路径没有相交边。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，在步骤11中，所选择的K条路径是包含跳数最少的K条路径。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，对于在新的拓扑中找不到任何一条路径的连接请求，在原始拓扑中重新选择路径。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，在步骤1中，根据连接请求的单条链路需要的带宽，从大到小依次处理所述多个连接请求。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预估的最佳频隙数是已分配路径所需的频隙数和未分配路径所需频隙数之和。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤3中，根据以下原则为所述工作路由集合分配频隙：

对于连接请求i，设所选择的工作路由是path_i，分配频隙为从a_i至b_i连续分配，对于其余的连接请求j，设所选择的工作路径为path_j，设已分配的频隙为从a_j至b_j连续分配，其中path_i≠path_j，则为连接请求i分配的频隙是：

a_i＝b_j+1，b_i＝a_i+N_path，如果path_i与path_j相交；

a_i＝a_j，b_i＝a_i+N_path，如果path_i与path_j不相交，其中，N_path为连接请求i所需的频隙数。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。