CN107396213A - 一种基于扩展图的弹性光网络路由与频谱分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于扩展图的弹性光网络路由与频谱分配方法，包括建立了弹性光网络扩展图、构建了基于最短路径的路由与频谱分配0‑1整数规划数学模型和提出了一种基于扩展图的RSA算法，使其能够在频谱分配的同时寻找最短路径，从而减小路由路径长度，有效地节约频谱资源，降低弹性光网络带宽阻塞率。

Description

一种基于扩展图的弹性光网络路由与频谱分配方法
技术领域
本发明涉及波长交换光网络技术领域，特别涉及弹性光网络中基于扩展图的路由与频谱分配方法的技术领域。
背景技术
分布式视频业务、远程医疗系统、物联网、移动互联网等应用的快速发展，给电信网络及云数据中心网络带来了更大和更加多样化的带宽需求。然而传统的波长路由波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）光传送网络，由于采用固定栅格的波长信道划分，造成带宽分配粒度粗、物理资源利用率较低的问题。为此，频谱分片弹性光网络SLICE（Spectrum-Sliced Elastic Optical Path Network）光网络技术被提出，其根据用户请求动态分配合适大小的频谱资源给端到端的光路，可缓解光纤频谱资源浪费问题。由于严格的约束条件，特别是频谱分配三约束(连续性、邻接性和不重叠性约束)，路由与频谱分配（RSA）问题非常复杂。
在传统的RSA方案中，通常分为路由和频谱两个部分，其分割了路由与频谱分配之间的关系，造成了频谱资源的浪费；而在传统的RSA建模中，在路由分配中并未考虑到最少频谱资源代价，同样造成了频谱资源的浪费。路由方法直接决定了频谱资源分配数量，因此，构建有效的RSA模型，在频谱资源分配的同时，选择一条最短的路径，以达到最少资源代价，节约频谱资源，降低带宽拥塞率。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高SLICE网络频谱资源利用率、降低带宽阻塞率、具有良好应用前景的基于扩展图的RSA方法。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于扩展图的SLICE路由与频谱分配方法，依次包括以下步骤：
a）根据弹性光网络路由与频谱分配特点，创建扩展图：
b）根据设定的频谱槽，构建基于扩展图的0-1整数规划模型，并设计算法求解。
作为一种优选方案，所述步骤a）创建扩展图，实现方法为：
a1）通过无向图对物理SLICE拓扑结构建模，其中为网络的节点集合，为网络的边集合，为边容量集合，每条边的容量相同，为一条光纤频谱槽的数量；
a2）根据和，创建扩展图，其中表示请求光路的两个端点，；表示请求的频谱槽数量,；；为链路容量集合，对于,；链路集合，其创建方法如下：在中，如果存在与相连的边，则建立链路；如果存在与相连的边，则建立链路；否则，如果存在边，则建立两条链路和。
作为一种优选方案，所述步骤b）构建基于扩展图的0-1整数规划模型为：
最短路径目标函数：
路径约束：
邻接性和连续性约束：
不重叠性约束：
其中，（1）参数包括：、、；表示链路的频谱槽是否空闲，如果空闲，，否则；
（2）决策变量包括：、；为二进制决策变量，表示链路是否成为RSA的路由链路，如果是，则，否则；为二进制决策变量，表示链路的频谱槽是否被分配，如果是，，否则；
（3）集合包括：、、和；，，，。
作为一种优选方案，所述步骤b）设计算法求解，算法如下：
b1）设定频谱槽起始索引初始值：设定给定的频谱槽索引初始值，表示设定的频谱槽范围即是，其中表示请求的频谱槽数量；
b2）选定频谱槽：设定频谱槽最大索引值为，如果，表示设定的频谱槽范围是，则跳转到b3）；如果，则失败返回；
b3）检查两个节点的频谱槽：计算两节点和的连续可分配的频谱槽数量，如果其中任意一个节点频谱槽数量小于请求的频谱槽数量，表示当前设定的频谱槽不能满足要求，则设定频谱槽起始索引，跳转到b2）：否则，跳转到b4）；
b4）建立0-1整数规划模型并求解：根据设定的频谱槽，构建上述的0-1整数规划模型，并求解：如果找到一个可行解，则返回该解；如果没有找到，跳转到b2）。
作为一种优选方案，所述步骤b）求解0-1整数规划模型，工具包括：GNU LinearProgramming Kit（GLPK）、CPLEX、MATLAB。
本发明的有益效果：（1）本发明利用RSA中频谱与路由之间的关系，扩展SLICE网络无向图，建立了SLICE网络扩展图，然后基于该扩展图，建立了最短路径的0-1整数规划数学模型，从而可以采用数学规划工具进行RSA资源分配的最短路径求解；(2)在上述0-1整数规划模型基础上，提出一种基于扩展图的RSA算法，使其能够在频谱分配的同时寻找最短路径，从而减小路由路径长度，有效地节约频谱资源，降低SLICE带宽阻塞率。
附图说明
图1是SLICE网络无向图。
图2是SLICE网络扩展图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，创建的SLICE网络无向图为，圆形框的数字表示节点标号，节点之间连线上的数字表示频谱槽数量，s和t表示请求建立光路的两个端点。图2为扩展图，图2复制了图1所有的节点，与图1的区别在于链路创建方法，如下所示：（1）把图1边扩展为有向链路，其中与s相连的边创建一条起点为s的链路，与t相连的边创建一条终点为t的链路，其它的边分别创建对应的两条链路；（2）链路上的数字都为1，表示路径长度。通过扩展图，求的最小值能够建模最短路径。
本发明一种基于扩展图的弹性光网络RSA方法，依次包括以下步骤：
a）根据弹性光网络路由与频谱分配特点，创建扩展图：
b）根据设定的频谱槽，构建基于扩展图的0-1整数规划模型，并设计算法求解。
所述步骤a）创建扩展图，实现方法为：
a1）通过无向图对物理SLICE拓扑结构建模，其中为网络的节点集合，为网络的边集合，为边容量集合，每条边的容量相同，为一条光纤频谱槽的数量；
a2）根据和，创建扩展图，其中表示请求光路的两个端点，；表示请求的频谱槽数量,；；为链路容量集合，对于,；链路集合，其创建方法如下：在中，如果存在与相连的边，则建立链路；如果存在与相连的边，则建立链路；否则，如果存在边，则建立两条链路和。
所述步骤b）构建基于扩展图的0-1整数规划模型为：
最短路径目标函数：
路径约束：
邻接性和连续性约束：
不重叠性约束：
其中，（1）参数包括：、、；表示链路的频谱槽是否空闲，如果空闲，，否则；
（2）决策变量包括：、；为二进制决策变量，表示链路是否成为RSA的路由链路，如果是，则，否则；为二进制决策变量，表示链路的频谱槽是否被分配，如果是，，否则；
（3）集合包括：、、和；，，，。
所述步骤b）设计算法求解，算法如下：
b1）设定频谱槽起始索引初始值：设定给定的频谱槽索引初始值，表示设定的频谱槽范围即是，其中表示请求的频谱槽数量；
b2）选定频谱槽：设定频谱槽最大索引值为，如果，表示设定的频谱槽范围是，则跳转到b3）；如果，则失败返回；
b3）检查两个节点的频谱槽：计算两节点和的连续可分配的频谱槽数量，如果其中任意一个节点频谱槽数量小于请求的频谱槽数量，表示当前设定的频谱槽不能满足要求，则设定频谱槽起始索引，跳转到b2）：否则，跳转到b4）；
b4）建立0-1整数规划模型并求解：根据设定的频谱槽，构建上述的0-1整数规划模型，并求解：如果找到一个可行解，则返回该解；如果没有找到，跳转到b2）。
所述步骤b）求解0-1整数规划模型，工具包括：GNU Linear Programming Kit（GLPK）、CPLEX、MATLAB。
本发明研究弹性光网络下的RSA问题，利用路由与频谱的关系，提出了SLICE网络的扩展图，建立了最短路径的0-1整数规划数学模型；进而，提出了一种基于扩展图的RSA算法，使其能够在频谱分配的同时寻找最短路径，从而减小路由路径长度，有效地节约频谱资源，提高SLICE带宽接收率。仿真实验结果验证了基于扩展图的RSA方法能够有效降低带宽阻塞率，与其他算法比较至少降低了8%的带宽阻塞率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于扩展图的弹性光网络路由与频谱分配方法，依次包括以下步骤：
a）根据弹性光网络路由与频谱分配特点，创建扩展图：
b）根据设定的频谱槽，构建基于扩展图的0-1整数规划模型，并设计算法求解。
2.如权利要求1所述的一种基于扩展图的弹性光网络路由与频谱分配方法，其特征是，所述步骤a）创建扩展图，具体方法如下：
a1）通过无向图对物理SLICE拓扑结构建模，其中为网络的节点集合，为网络的边集合，为边容量集合，每条边的容量相同，为一条光纤频谱槽的数量；
a2）根据和，创建扩展图，其中表示请求光路的两个端点，；表示请求的频谱槽数量,；；为链路容量集合，对于,；链路集合，其创建方法如下：在中，如果存在与相连的边，则建立链路；如果存在与相连的边，则建立链路；否则，如果存在边，则建立两条链路和。
3.如权利要求1所述的一种基于扩展图的弹性光网络路由与频谱分配方法，其特征是，所述步骤b）根据设定的频谱槽，构建基于扩展图0-1整数规划模型，模型如下：
最短路径目标函数：
路径约束：
邻接性和连续性约束：
不重叠性约束：
其中，（1）参数包括：、、；表示链路的频谱槽是否空闲，如果空闲，，否则；
（2）决策变量包括：、；为二进制决策变量，表示链路是否成为RSA的路由链路，如果是，则，否则；为二进制决策变量，表示链路的频谱槽是否被分配，如果是，，否则；
（3）集合包括：、、和；，，，。
4.如权利要求1所述的一种基于扩展图的弹性光网络路由与频谱分配方法，其特征是，所述步骤b）设计算法求解，算法如下：
b1）设定频谱槽起始索引初始值：设定给定的频谱槽索引初始值，表示设定的频谱槽范围即是，其中表示请求的频谱槽数量；
b2）选定频谱槽：设定频谱槽最大索引值为，如果，表示设定的频谱槽范围是，则跳转到b3）；如果，则失败返回；
b3）检查两个节点的频谱槽：计算两节点和的连续可分配的频谱槽数量，如果其中任意一个节点频谱槽数量小于请求的频谱槽数量，表示当前设定的频谱槽不能满足要求，则设定频谱槽起始索引，跳转到b2）：否则，跳转到b4）；
b4）建立0-1整数规划模型并求解：根据设定的频谱槽，构建上述的0-1整数规划模型，并求解：如果找到一个可行解，则返回该解；如果没有找到，跳转到b2）。
5.如权利要求1所述的一种基于扩展图的弹性光网络路由与频谱分配方法，其特征是，所述步骤b）求解0-1整数规划模型，工具包括：GNU Linear Programming Kit（GLPK）、CPLEX、MATLAB。
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