CN107426110B - 频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法及系统，为了有效提高光网络的频谱资源效率和降低光网络的能耗而设计。本发明对于每一个连接请求，采用不同线速率与调制格式的组合形成来承载连接请求的带宽需求，通过距离自适应的负载均衡调节方法，动态地调整每一条光纤链路的权重，以使连接请求选择负载较轻的光纤链路作为传输路径。本发明避免某些短距离的光纤链路被过量连接请求选择而造成阻塞，从而提高频谱灵活光网络的资源效率，实现高的能耗效率。

Description

频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法及系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法及系统。

背景技术

近年来，在移动互联网、大数据、云计算、数据中心等应用业务发展下，网络的能耗急剧上升，难以满足网络对业务服务质量需求，容易造成网络资源效率与能耗效率降低，使网络运营受到极大的挑战。传统网络节能方法与机制将受到极大地威胁。特别地，在传统节能方案中，并没有根据高峰与低谷业务变化特点，适当地减少或增加传输业务流量的光层能耗元件的端口，以减少网络的能耗。由于某些区域在某一时刻的带宽流量极大，而频谱灵活光网络带宽容量在限，在这一区域带宽资源无法满足连接请求对带宽要求，使得连接请求建立失败。同时，由于网络流量的分布不均匀，容易造成局部的光层能耗元件端口的流量达到最大，即端口处于满负荷地运行。可见，如何优化网络的能耗和提高网络的资源效率将成为一个关键技术，以使网络运营处理最佳状态。

在频谱灵活光网络中，用户可以根据连接请求的带宽需求粒度大小，利用不同的线速率和调制格式传输连接请求的带宽粒度，以实现网络资源最佳的配置。为了把连接请求的流量传输到光层，需求配置不同线速率光层传输端口，同时分配连接请求需要的频谱资源，而这些分配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。然而，由于大量的连接请求在频谱灵活光网络模建立，若不考虑频谱灵活光网络的负载占用情况，势必造成网络中某些链路因负载过大而引起连接请求建立失败，使连接请求产生阻塞。可见，在连接请求建立过程中，首先，需要考虑频谱灵活光网络的频谱资源占用状态，评估每一条光纤链路的负载占用情况，以及调整每一条光纤链路的权重，尽最大可能地找出一条工作路径来传输连接请求；其次，在所选择的路径中分配网络的频谱资源，满足频谱连续性和频谱一致性的双重约束条件；最后，根据连接请求的带宽粒度配置相应的光转发器和光再生器等能耗元件。目前，为了建立连接请求，传统的方法通常采用以下两个过程：

1)连接请求的工作路由计算与选择。在频谱灵活光网络中，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计算工作路径。然而，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的负载流量情况，也没有对把选择的工作路径进行能耗的评估，只是选择距离最短的路径作为工作路径。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，则连接请求建立路径失败。

2)连接请求的频谱资源查找与分配。根据连接请求的带宽需求，在所选择的工作路径中，查找连接请求所需要的频谱资源，所查找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。若找到连接请求所需要的频谱资源，为连接请求分配频谱资源。然而，一方面，在查找和分配连接请求所需要的频谱资源过程中，并没有考虑到占用的频谱资源对光纤链路负载造成的影响。另一方面，在为连接请求查找和分配频谱资源过程中，没有考虑分配频谱资源后对网络能耗造成的影响。因此，一方面，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；另一方面，连接请求在所选择的工作路径中分配频谱资源，容易造成能耗过大，不利于节能。

上述过程能够在频谱灵活光网络中成功建立连接请求。然而，由于连接请求在建立过程中，没有考虑网络负载和能耗问题，无法保证连接请求所选择的工作路径能耗最小，也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。

鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法及系统，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种优化网络频谱资源分配、提高光网络资源效率、减少能耗的频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法及系统。

为达到上述发明目的，本发明频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法，包括：

对于一组连接请求集合中的每一个连接请求，分别运用K条最短路径算法，计算出该连接请求从源节点到目的节点的K条候选路径；

分别计算该连接请求采用各候选路径进行传输的能耗，将各候选路径对应的能耗由低到高进行优先级排序，能耗越低，优先级越高；

根据所述的K条候选路径的优先级选择优先级高的候选路径进行频谱资源分配，具体包括：根据连接请求所需的频谱间隙，查找满足连接请求所需的带宽资源，为该连接请求分配频谱资源，

若频谱资源同时满足频谱连续性和频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，则连接请求建立成功，则该候选路径为该连接请求的工作路径；

若频谱资源不满足频谱连续性约束条件和/或频谱一致性约束条件，则连接请求建立失败，选择优先级低一级的候选路径进行频谱资源分配，依次类推直至连接请求建立成功；

其中，所述的计算该连接请求采用各候选路径进行传输的能耗的具体方法包括：

计算一条候选路径的能耗时，根据当前候选路径，将该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分成多个线速率的频谱通道进行传输，其中，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示每一个连接请求的带宽需求，把FS切分成的一组多个线速率，

在

表示为B个r₁线速率、|R|表示线速率的总数目；

根据该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分的多个线速率的频谱通道，确定当前待计算候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量；

根据当前候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量，计算该连接请求使用当前待计算候选路径传输的能耗，其中该连接请求的能耗TC用以下公式表示：

式中，θ_r和

分别表示在线速率r和单位时间下光转发器的单位功耗和光再生器的单位功耗；α_r和β_r分别表示在线速率r下光转发器的数量和光再生器的数量。

进一步地，在计算每一个连接请求的K条候选路径前首先进行负载均衡调节步骤，所述的负载均衡调节步骤包括：遍历频谱灵活光网络拓扑中的每一条光纤链路，当光纤链路的频谱资源占用率高于设定的阈值时，动态调整该条光纤链路的传输距离增大为原来的β倍，其中β＞1，每一条光纤链路自适应负载均衡后的光纤链路传输距离采用如下公式表示：

式中，

表示在光纤链路(v_i，v_j)中距离自适应负载均衡后的光纤链路传输距离；

表示频谱灵活光网络的光纤链路原传输距离；

表示频谱资源占用率；|F|表示光纤链路的频谱隙数目。

进一步地，各条候选路径上需要使用的光再生器和光转发器数量的计算具体包括：遍历每条候选路径中的任意两个节点对，若节点对的传输距离小于连接请求采用线速率的最大传输距离，则该节点对建立连接链路，设置该连接链路权值为1个单位长度，形成计算再生器数目的临时拓扑；利用最短路径算法，在形成的临时拓扑中计算出一条权值最短的路径；该最短路径的节点数为N，连接请求路径经过的节点，除去源节点和目的节点即为放置光再生器的点，即配置光再生器数量为R＝(N-2)；在每一个连接请求的源节点和目的节点上，需要根据连接请求所切分的每一种线速率分别配置1个光转发器。

进一步地，还包括在连接请求传输完成后进行频谱资源释放，所述的频谱资源释放具体包括：在连接请求建立的工作路径中，释放连接请求占用的所有频谱资源，把占用的光转发器和光再生器硬件资源释放，把这个连接请求所建立的工作路径拆除。

进一步地，在计算每一个连接请求的候选路径前，还包括对频谱光网络G(V,E,F)进行初始化以及产生一组连接请求，初始化的过程具体包括：设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、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、设置频谱灵活光网络光转发器数目和光再生器数目；产生一组连接请求具体包括：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。

为达到上述发明目的，本发明频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统，包括：

候选路径计算模块，用于对于一组连接请求集合中的每一个连接请求，分别运用K条最短路径算法，计算出该连接请求从源节点到目的节点的K条候选路径；

将该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分成多个线速率的频谱通道进行传输，其中，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示每一个连接请求的带宽需求切分成的一组多个线速率，

在

表示为B个r₁线速率、|R|表示线速率的总数目；

光再生器和光转发器的数量计算模块，用于计算一条候选路径的能耗时，根据当前候选路径，将该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分成多个线速率的频谱通道进行传输，其中，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示每一个连接请求的带宽需求，把FS切分成的一组多个线速率，

在

表示为B个r₁线速率、|R|表示线速率的总数目；

根据该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分的多个线速率的频谱通道，确定当前待计算候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量；

网络能耗和阻塞率计算模块，包括网络能耗计算单元以及阻塞率计算单元，所述网络能耗计算单元，根据光再生器和光转发器的数量计算模块输出的光再生器和光转发器输出的当前待计算候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量，计算该连接请求使用当前待计算候选路径传输的能耗，其中该连接请求的能耗TC用以下公式表示：

式中，θ_r和

分别表示在线速率r和单位时间下光转发器的单位功耗和光再生器的单位功耗；α_r和β_r分别表示在线速率r下光转发器的数量和光再生器的数量；

阻塞率计算单元，用于将该连接请求使用K条候选路径中的能耗由低到高对所述的K条候选路径进行优先级排序，其中，能耗越低，优先级越高，以及用于记录一组连接成功建立的个数，计算频谱灵活光网络的连接请求阻塞率；

频谱资源分配模块，用于根据所述的K条候选路径的优先级选择优先级高的候选路径进行频谱资源分配，具体包括：根据连接请求所需的频谱间隙，查找满足连接请求所需的带宽资源，为该连接请求分配频谱资源，

若频谱资源同时满足频谱连续性和频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，则连接请求建立成功，则该候选路径为该连接请求的工作路径；

若频谱资源不满足频谱连续性约束条件和/或频谱一致性约束条件，则连接请求建立失败，选择优先级低一级的候选路径进行频谱资源分配，依次类推直至连接请求建立成功。

进一步地，还包括负载均衡调节模块，用于在计算每一个连接请求的K条候选路径前首先进行负载均衡调节步骤，所述的负载均衡调节步骤包括：遍历频谱灵活光网络拓扑中的每一条光纤链路，当光纤链路的频谱资源占用率高于设定的阈值时，动态调整该条光纤链路的传输距离增大为原来的β倍，其中β＞1，每一条光纤链路自适应负载均衡后的光纤链路传输距离采用如下公式表示：

式中，

表示在光纤链路(v_i，v_j)中距离自适应负载均衡后的光纤链路传输距离；

表示频谱灵活光网络的光纤链路原传输距离；

表示频谱资源占用率；|F|表示光纤链路的频谱隙数目。

进一步地，所述光再生器和光转发器的数量计算模块，包括再生器计算单元，用于遍历每条候选路径中的任意两个节点对，若节点对的传输距离小于连接请求采用线速率的最大传输距离，则该节点对建立连接链路，设置该连接链路权值为1个单位长度，形成计算再生器数目的临时拓扑；利用最短路径算法，在形成的临时拓扑中计算出一条权值最短的路径；该最短路径的节点数为N，连接请求路径经过的节点，除去源节点和目的节点即为放置光再生器的点，即配置光再生器数量为R＝(N-2)；

光转发器计算单元，在每一个连接请求的源节点和目的节点上，需要根据连接请求所切分的每一种线速率分别配置1个光转发器。

进一步地，还包括频谱资源释放模块，用于在连接请求建立的工作路径中，释放连接请求占用的所有频谱资源，把占用的光转发器和光再生器硬件资源释放，把这个连接请求所建立的工作路径拆除。

进一步地，还包括网络初始化模块，用于对频谱灵活光网络G(V,E,F)进行初始，即设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、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、设置频谱灵活光网络光转发器数目和光再生器数目；

还包括连接请求产生模块，用于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。

还包括网络状态监控模块，用于对频谱灵活光网络参数初始化模块、连接请求产生模块、工作路径计算模块、光再生器配置模块、频谱资源分配模块、负载均衡调节模块、频谱资源释放模块、网络能耗和阻塞率计算模块的运行状态进行监控；

还包括判决和预警模块，用于判断频谱灵活光网络参数初始化模块、连接请求产生模块、工作路径计算模块、光再生器配置模块、频谱资源分配模块、负载均衡调节模块、频谱资源释放模块、网络能耗和阻塞率计算模块是否运行成功的判决以及实现预警功能。

借由上述方案，本发明频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法及系统至少具有以下优点：

本发明依据频谱灵活光网络中频谱传输特性，对于每一个连接请求，采用K条最短路径算法，从中选择能耗与频谱资源较好的路径作为传输工作路径。根据连接请求所建立的工作路径，遍历这条工作路径中的任意每两个节点对，若节点的传输距离小于连接请求采用线速率的最大传输距离，则这个节点对建立连接链路，采用最短路径计算方法，计算出工作路径上配置最小的光再生器的数目。

本发明对于每一个连接请求，运用有效的带宽需求切分方法，采用不同线速率与调制格式的组合形成来承载连接请求的带宽需求，在所选择的工作路径上查找并分配频谱资源，满足连接请求在频谱资源分配过程中的频谱连续性和一致性的双重约束条件。

本发明通过距离自适应的负载均衡调节方法，动态地调整每一条光纤链路的权重，以使连接请求选择负载较轻的光纤链路作为传输路径，避免某些短距离的光纤链路被过量连接请求选择而造成阻塞，从而提高频谱灵活光网络的资源效率。

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中自适应负载均衡能耗优化方法的实施例1的流程图；

图2是本发明频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法的实施例2的流程图；

图3是本发明频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统的实施例3的框图；

图4是本发明频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统的实施例4的框图；

图5是本发明频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法的具体实例中建立三个连接请求CR1(1,4,140Gbps)、CR2(1,4,130Gbps)、CR3(1,4,120Gbps)。

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。

下述各实施例中，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|}表示可用频谱间隙的集合。|V|、|E|、|F|分别表示光纤链路中的光交换节点的数量、光纤链路的数量、频率间隙的数量；从节点k到节点l表示光纤链路(k,l)，其中k,l∈V。为了承载连接请求的带宽需求，可以通过不同的线速率，R＝{r₁，r₂，…，r_|R|}，(这里R表示一组线速率集合，|R|表示线速率的总数目)与不同的调制格式，F＝{f₁，f₂，…，f_|F|}，(这里F表示一组调制格式集合，|F|表示调制格式的总数目)，满足最大的传输距离D＝{d₁，d₂，…，d_|D|}，(这里D表示一组最大光传输距离集合，|D|表示最大光传输距离的总数目)，来传输连接请求业务量。

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，BR表示在所需频谱间隙数的带宽需求。

对于每一个连接请求，CR(s,d,FS)，采用K条最短路径方法计算从源节点s到目的节点d之间的工作路径。在工作路径计算成功后，需要把每一个连接请求的带宽需求切分成恰当的混合线速率进行传输，即

其中

表示B个r₁线速率和|R|表示线速率的总数目，以减少网络的带宽资源浪费，通过减少使用的频谱灵活光网络的频谱通道数目，提高网络资源效率和能耗效率。例如，一个连接请求的带宽需求是140Gbps，那么这个带宽请求会被分解成一个线速率为100Gbps的频谱通道和一个40Gbps的频谱通道来传输，表示成{1₁₀₀,1₄₀}。

实施例1

如图1所示，本实施例频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法，包括：

对于一组连接请求集合中的每一个连接请求，分别运用K条最短路径算法，计算出该连接请求从源节点到目的节点的K条候选路径；

分别计算该连接请求采用各候选路径进行传输的能耗，将各候选路径对应的能耗由低到高进行优先级排序，能耗越低，优先级越高；

根据所述的K条候选路径的优先级选择优先级高的候选路径进行频谱资源分配，具体包括：根据连接请求所需的频谱间隙，查找满足连接请求所需的带宽资源，为该连接请求分配频谱资源，

若频谱资源同时满足频谱连续性和频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，则连接请求建立成功，则该候选路径为该连接请求的工作路径；

若频谱资源不满足频谱连续性约束条件和/或频谱一致性约束条件，则连接请求建立失败，选择优先级低一级的候选路径进行频谱资源分配，依次类推直至连接请求建立成功；

其中，所述的计算该连接请求采用各候选路径进行传输的能耗的具体方法包括：

计算一条候选路径的能耗时，根据当前候选路径，将该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分成多个线速率的频谱通道进行传输，其中，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示每一个连接请求的带宽需求，把FS切分成的一组多个线速率，

在

表示为B个r₁线速率、|R|表示线速率的总数目；

根据该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分的多个线速率的频谱通道，确定当前待计算候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量；

根据当前候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量，计算该连接请求使用当前待计算候选路径传输的能耗，其中该连接请求的能耗TC用以下公式表示：

式中，θ_r和

分别表示在线速率r和单位时间下光转发器的单位功耗和光再生器的单位功耗；α_r和β_r分别表示在线速率r下光转发器的数量和光再生器的数量。

本实施例中，各条候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量的计算具体包括：遍历每条候选路径中的任意两个节点对，若节点对的传输距离小于连接请求采用线速率的最大传输距离，则该节点对建立连接链路，设置该连接链路权值为1个单位长度，形成计算再生器数目的临时拓扑；利用最短路径算法，在形成的临时拓扑中计算出一条权值最短的路径；该最短路径的节点数为N，连接请求路径经过的节点，除去源节点和目的节点即为放置光再生器的点，即配置光再生器数量为R＝(N-2)；在每一个连接请求的源节点和目的节点上，需要根据连接请求所切分的每一种线速率分别配置1个光转发器。

本实施例，使频谱灵活光网络的所有光纤链路负载平衡，以及使频谱灵活光网络的能量消耗更低。对于每一个连接请求，通过构造动态自适应的负载均匀方法，满足连接请求在频谱资源分配过程中的频谱连续性和频谱一致性的双重约束条件，解决连接请求在频谱灵活光网络中较低能耗和较均衡的负载问题。在连接请求建立过程中，一方面，在频谱灵活光网络中，避免了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，造成光纤链路占用的频谱资源不均衡特性。另一方面，使连接请求在建立过程中，通过引入自适应能耗优化机制，在所选择工作路径过程中，充分考虑网络能耗元件，减少能耗元件端口的使用，实现消耗最小的能耗。

实施例2

如图2所示，本实施例频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法，包括：在实施例1的基础上，在计算每一个连接请求的K条候选路径前首先进行负载均衡调节步骤，所述的负载均衡调节步骤包括：遍历频谱灵活光网络拓扑中的每一条光纤链路，当光纤链路的频谱资源占用率高于设定的阈值时，动态调整该条光纤链路的传输距离增大为原来的β倍，其中β＞1，每一条光纤链路自适应负载均衡后的光纤链路传输距离采用如下公式表示：

式中，

表示在光纤链路(v_i，v_j)中距离自适应负载均衡后的光纤链路传输距离；

表示频谱灵活光网络的光纤链路原传输距离；

表示频谱资源占用率；|F|表示光纤链路的频谱隙数目。

进一步地，还包括在连接请求传输完成后进行频谱资源释放，所述的频谱资源释放具体包括：在连接请求建立的工作路径中，释放连接请求占用的所有频谱资源，把占用的光转发器和光再生器硬件资源释放，把这个连接请求所建立的工作路径拆除。

在上述实施例1、2的基础上还可以包括对网络状态监控过程：对频谱灵活光网络参数初始化、连接请求产生、工作路径计算、光再生器配置、频谱资源分配、负载均衡调节、频谱资源释放、网络能耗和阻塞率计算过程的运行状态进行监控。

还可以包括判决和预警：判断频谱灵活光网络参数初始化、连接请求产生、工作路径计算、光再生器配置、频谱资源分配、负载均衡调节、频谱资源释放、网络能耗和阻塞率计算各过程是否顺利完成。

实施例3

如图3所示，本实施例频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统，可以运行上述实施例1所述的方法，所述系统包括：

候选路径计算模块，用于对于一组连接请求集合中的每一个连接请求，分别运用K条最短路径算法，计算出该连接请求从源节点到目的节点的K条候选路径；

将该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分成多个线速率的频谱通道进行传输，其中，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示每一个连接请求的带宽需求切分成的一组多个线速率，

在

表示为B个r₁线速率、|R|表示线速率的总数目；

光再生器和光转发器的数量计算模块，用于计算一条候选路径的能耗时，根据当前候选路径，将该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分成多个线速率的频谱通道进行传输，其中，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示每一个连接请求的带宽需求，把FS切分成的一组多个线速率，

在

表示为B个r₁线速率、|R|表示线速率的总数目；

根据该连接请求CR(s,d,FS)的带宽需求切分的多个线速率的频谱通道，确定当前待计算候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量；

网络能耗和阻塞率计算模块，包括网络能耗计算单元以及阻塞率计算单元，所述网络能耗计算单元，根据光再生器和光转发器的数量计算模块输出的光再生器和光转发器输出的当前待计算候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量，计算该连接请求使用当前待计算候选路径传输的能耗，其中该连接请求的能耗TC用以下公式表示：

式中，θ_r和

分别表示在线速率r和单位时间下光转发器的单位功耗和光再生器的单位功耗；α_r和β_r分别表示在线速率r下光转发器的数量和光再生器的数量；

阻塞率计算单元，用于将该连接请求使用K条候选路径中的能耗由低到高对所述的K条候选路径进行优先级排序，其中，能耗越低，优先级越高，以及用于记录一组连接成功建立的个数，计算频谱灵活光网络的连接请求阻塞率；

频谱资源分配模块，用于根据所述的K条候选路径的优先级选择优先级高的候选路径进行频谱资源分配，具体包括：根据连接请求所需的频谱间隙，查找满足连接请求所需的带宽资源，为该连接请求分配频谱资源，

若频谱资源同时满足频谱连续性和频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，则连接请求建立成功，则该候选路径为该连接请求的工作路径；

若频谱资源不满足频谱连续性约束条件和/或频谱一致性约束条件，则连接请求建立失败，选择优先级低一级的候选路径进行频谱资源分配，依次类推直至连接请求建立成功。

本实施例中，所述光再生器和光转发器的数量计算模块，包括光再生器计算单元，用于遍历每条候选路径中的任意两个节点对，若节点对的传输距离小于连接请求采用线速率的最大传输距离，则该节点对建立连接链路，设置该连接链路权值为1个单位长度，形成计算再生器数目的临时拓扑；利用最短路径算法，在形成的临时拓扑中计算出一条权值最短的路径；该最短路径的节点数为N，连接请求路径经过的节点，除去源节点和目的节点即为放置光再生器的点，即配置光再生器数量为R＝(N-2)；

光转发器计算单元，用于在每一个连接请求的源节点和目的节点上，需要根据连接请求所切分的每一种线速率分别配置1个光转发器。

实施例4

如图4所示，本实施例频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统，可以运行上述实施例2所述的方法，所述系统在实施例3的基础上还包括：

还包括负载均衡调节模块，用于在计算每一个连接请求的K条候选路径前首先进行负载均衡调节步骤，所述的负载均衡调节步骤包括：遍历频谱灵活光网络拓扑中的每一条光纤链路，当光纤链路的频谱资源占用率高于设定的阈值时，动态调整该条光纤链路的传输距离增大为原来的β倍，其中β＞1，每一条光纤链路自适应负载均衡后的光纤链路传输距离采用如下公式表示：

式中，

表示在光纤链路(v_i，v_j)中距离自适应负载均衡后的光纤链路传输距离；

表示频谱灵活光网络的光纤链路原传输距离；

表示频谱资源占用率；|F|表示光纤链路的频谱隙数目。

还包括频谱资源释放模块，用于在连接请求建立的工作路径中，释放连接请求占用的所有频谱资源，把占用的光转发器和光再生器硬件资源释放，把这个连接请求所建立的工作路径拆除。

网络初始化模块，用于对频谱光网络G(V,E,F)进行初始，也即设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、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、设置频谱灵活光网络光转发器数目和光再生器数目；

连接请求产生模块，用于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。

频谱资源释放模块，用于在连接请求建立的工作路径中，释放连接请求占用的所有频谱资源，把占用的光转发器和光再生器硬件资源释放，把这个连接请求所建立的工作路径拆除。

网络状态监控模块，用于对频谱灵活光网络参数初始化模块、连接请求产生模块、工作路径计算模块、光再生器配置模块、频谱资源分配模块、负载均衡调节模块、频谱资源释放模块、网络能耗和阻塞率计算模块的运行状态进行监控；

判决和预警模块，用于判断频谱灵活光网络参数初始化模块、连接请求产生模块、工作路径计算模块、光再生器配置模块、频谱资源分配模块、负载均衡调节模块、频谱资源释放模块、网络能耗和阻塞率计算模块是否运行成功的判决以及实现预警功能。

以下采用一个具体的实例阐述如何通过使用混合线速率方式来满足连接请求的带宽需求，如何通过连接请求的工作路径临时拓扑进行光再生器的优化配置，以及如何通过距离自适应进行光纤链路的负载均衡，进而优化连接请求的能耗，提高频谱灵活光网络的资源效率。

为了实现一组连接请求频谱灵活光网络的自适应负载均衡能耗优化的目标，第一，对频谱灵活光网络G(V,E,F)进行初始化，包括频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、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、设置频谱灵活光网络的光转发器数目和光再生器数目。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|}表示可用频谱间隙的集合；|V|表示光纤链路中的光交换节点的数量，|E|表示光纤链路的数量，|F|表示频率间隙的数量。第二，生成一组连接请求，包括连接请求的源节点、目的节点、带宽需求大小。第三，为每一个连接请求计算工作路径，并把连接请求的带宽需求切分成恰当的不同线速率组合，在工作路径上配置最小的光再生器数目；第四，根据频谱通道数目，在连接请求的工作路径上查找并分配频谱资源，在频谱灵活光网络中建立连接请求；第五，根据每条光纤链路占用的频谱资源状态，动态自适应地调整光纤链路的距离，并计算连接请求的能耗。具体实施例如下：

图5表示6个节点与8条光纤链路的频谱灵活光网络，每条光纤链路是双向的，光纤链路上的数值表示传输距离(单位：公里(km))，每条光纤链路的频谱隙为15，每个频谱隙为12.5GHz。每一个节点包括了若干光转发器和光再生器。网络提供两种线速率，40Gbps和100Gbps。对于40-Gbps线速率，所占频谱宽度为25GHz，采用DP-QPSK调制格式，传输距离为1800km；对于100-Gbps线速率，所占频谱宽度为37.5GHz，采用DP-BPSK调制格式，传输距离为1700km。

生成三个连接请求CR1(1，4，140Gbps)、CR2(1，4，130Gbps)、CR3(1，4，120Gbps)，它们都是从源节点1到目的节点4，带宽需求为2个频谱隙。

对于第一个连接请求CR1(1，4，140Gbps)，设置计算的路径为K＝2，从源节点1到目的节点4计算2条路径，即为1-2-3-4(1600km)和1-6-5-4(2000km)。把带宽需求140Gbps切分成线速率为40Gbps和100Gbps两个不同的传输光通道。由于40-Gbps和100-Gbps线速率的传输距离分别为1800km和1700km，所以在路径1-2-3-4上无需配置光再器，以及在路径1-6-5-4上需要配置2个光再生器(两个光通道)。为了减少网络的能耗，所以选择路径1-2-3-4作为连接请求CR1(1，4，140Gbps)的工作路径，并在这条工作路径上的每条光纤链路上分配2个(40Gbps)和3个(100Gbps)连续的频谱隙，来承载这个连接请求的带宽需求，从而建立连接请求CR1(1，4，140Gbps)。

设置距离自适应负载均衡调节公式(1)中的参数α＝0.6和β＝2。由于光纤链路的容量为15个频谱隙，当建立连接请求CR1(1，4，140Gbps)，光纤链路(1，2)、(2，3)、(3，4)上占用的频谱隙为5个，小于光纤链路距离调节的阈值，即α×|F||＝0.6×15＝9个。因此，无需调节整个频谱灵活光网络的光纤链路传输距离。利用公式(2)，记录连接请求CR1(1，4，140Gbps)占用的光再生器的数量。

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(1，4，130Gbps)，即CR2(1，4，130Gbps)选择路径1-2-3-4作为工作路径，并把带宽需求130Gbps切分成线速率为30Gbps和100Gbps两个不同的传输光通道。与连接请求CR1(1，4，140Gbps)一样，无需配置光再生器，并在工作路径1-2-3-4上分配频谱资源，建立这个连接请求CR2(1，4，130Gbps)。由于光纤链路的容量为15个频谱隙，在成功建立连接请求CR1(1，4，140Gbps)和CR2(1，4，130Gbps)后，光纤链路(1，2)、(2，3)、(3，4)上占用的频谱隙为10个，大于光纤链路距离调节的阈值(9个)，所以(1，2)、(2，3)、(3，4)的权值更新为1000km、1200km、1000km。利用公式(2)，记录连接请求CR2(1，4，130Gbps)占用的光再生器的数量。

最后，在频谱灵活光网络中，与建立连接请求CR1(1，4，140Gbps)一样的步骤建立连接请求CR3(1，4，120Gbps)。由于路径1-2-3-4的链路权值更新，所以CR3(1，4，120Gbps)选择路径1-6-5-4(2000km)作为工作路径。把带宽需求120Gbps切分成线速率为40Gbps和100Gbps两个不同的传输光通道。由于40-Gbps和100-Gbps线速率的传输距离分别为1800km和1700km，在工作路径1-6-5-4上的节点5的位置配置线速率为40-Gbps和100-Gbps的光再生器，以及查找并分配40-Gbps和100-Gbps传输光通道的频谱资源，即2个(40Gbps)和3个(100Gbps)连续的频谱隙。因此，建立连接请求CR3(1，4，120Gbps)。当建立连接请求CR3(1，4，120Gbps)后，由于光纤链路的容量为15个频谱隙，光纤链路(1，6)、(6，5)、(5，4)上占用的频谱隙为5个，小于光纤链路距离调节的阈值。因此，无需调节整个频谱灵活光网络的光纤链路传输距离。记录连接请求CR3(1，4，120Gbps)占用的光转发器的数量和光再生器的数量。最终利用公式(2)计算出这个组连接请求CR1(1，4，140Gbps)、CR2(1，4，130Gbps)、CR3(1，4，120Gbps)的能耗和阻塞率。

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中自适应负载均衡能耗优化方法，其特征在于，包括：

对于一组连接请求集合中的每一个连接请求，分别运用K条最短路径算法，计算出该连接请求从源节点到目的节点的K条候选路径；

分别计算该连接请求采用各候选路径进行传输的能耗，将各候选路径对应的能耗由低到高进行优先级排序，能耗越低，优先级越高；

根据所述的K条候选路径的优先级选择优先级高的候选路径进行频谱资源分配，具体包括：根据连接请求所需的频谱间隙，查找满足连接请求所需的带宽资源，为该连接请求分配频谱资源，

若频谱资源同时满足频谱连续性和频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，则连接请求建立成功，则该候选路径为该连接请求的工作路径；

若频谱资源不满足频谱连续性约束条件和/或频谱一致性约束条件，则连接请求建立失败，选择优先级低一级的候选路径进行频谱资源分配，依次类推直至连接请求建立成功；

其中，所述的计算该连接请求采用各候选路径进行传输的能耗的具体方法包括：

计算一条候选路径的能耗时，根据当前候选路径，将该连接请求CR(s，d，FS)的带宽需求切分成多个线速率的频谱通道进行传输，其中，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示每一个连接请求的带宽需求，把FS切分成的一组多个线速率，

其中，

表示B个r_i线速率，i＝1，2，...，|R|；|R|表示线速率的种数；

根据该连接请求CR(s，d，FS)的带宽需求切分的多个线速率的频谱通道，确定当前待计算候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量；

根据当前候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量，计算该连接请求使用当前待计算候选路径传输的能耗，其中该连接请求的能耗TC用以下公式表示：

式中，θ_r和

分别表示在线速率r和单位时间下光转发器的单位功耗和光再生器的单位功耗；α_r和β_r分别表示在线速率r下光转发器的数量和光再生器的数量。

2.根据权利要求1所述的频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法，其特征在于，在计算每一个连接请求的K条候选路径前首先进行负载均衡调节步骤，所述的负载均衡调节步骤包括：遍历频谱灵活光网络拓扑中的每一条光纤链路，当光纤链路的频谱资源占用率高于设定的阈值时，动态调整该条光纤链路的传输距离增大为原来的β倍，其中β＞1，每一条光纤链路自适应负载均衡后的光纤链路传输距离采用如下公式表示：

式中，

表示在光纤链路(v_i，v_j)中距离自适应负载均衡后的光纤链路传输距离；

表示频谱灵活光网络的光纤链路原传输距离；

表示频谱资源占用率；|F|表示光纤链路的频谱隙数目；α表示预设的参数；从节点v_i到节点v_j表示光纤链路(v_i，v_j)，其中，v_i，v_j∈V，V＝{v₁，v₂，v₃，…，v_|V|}表示一组光交换节点，|V|表示光纤链路中的光交换节点的数量。

3.根据权利要求1所述的频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法，其特征在于，各条候选路径上需要使用的光再生器和光转发器数量的计算具体包括：遍历每条候选路径中的任意两个节点对，若节点对的传输距离小于连接请求采用线速率的最大传输距离，则该节点对建立连接链路，设置该连接链路权值为1个单位长度，形成计算再生器数目的临时拓扑；利用最短路径算法，在形成的临时拓扑中计算出一条权值最短的路径；该最短路径的节点数为N，连接请求路径经过的节点，除去源节点和目的节点即为放置光再生器的点，即配置光再生器数量为R＝(N-2)；在每一个连接请求的源节点和目的节点上，需要根据连接请求所切分的每一种线速率分别配置1个光转发器。

4.根据权利要求1所述的频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法，其特征在于，还包括在连接请求传输完成后进行频谱资源释放，所述的频谱资源释放具体包括：在连接请求建立的工作路径中，释放连接请求占用的所有频谱资源，把占用的光转发器和光再生器硬件资源释放，把这个连接请求所建立的工作路径拆除。

5.根据权利要求1所述的频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化方法，其特征在于，在计算每一个连接请求的候选路径前，还包括对频谱光网络G(V，E，F)进行初始化以及产生一组连接请求，初始化的过程具体包括：设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、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、设置频谱灵活光网络光转发器数目和光再生器数目；产生一组连接请求具体包括：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；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|}表示可用频谱间隙的集合；|V|表示光纤链路中的光交换节点的数量，|E|表示光纤链路的数量，|F|表示频率间隙的数量。

6.一种频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统，其特征在于，包括：

候选路径计算模块，用于对于一组连接请求集合中的每一个连接请求，分别运用K条最短路径算法，计算出该连接请求从源节点到目的节点的K条候选路径；

光再生器和光转发器的数量计算模块，用于计算一条候选路径的能耗时，根据当前候选路径，将该连接请求CR(s，d，FS)的带宽需求切分成多个线速率的频谱通道进行传输，其中，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示每一个连接请求的带宽需求，把FS切分成的一组多个线速率，

其中，

表示B个r_i线速率，i＝1，2，...，|R|；|R|表示线速率的种数；

根据该连接请求CR(s，d，FS)的带宽需求切分的多个线速率的频谱通道，确定当前待计算候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量；

网络能耗和阻塞率计算模块，包括网络能耗计算单元以及阻塞率计算单元，所述网络能耗计算单元，根据光再生器和光转发器的数量计算模块输出的当前待计算候选路径上需要使用的光再生器和光转发器的数量，计算该连接请求使用当前待计算候选路径传输的能耗，其中该连接请求的能耗TC用以下公式表示：

式中，θ_r和

分别表示在线速率r和单位时间下光转发器的单位功耗和光再生器的单位功耗；α_r和β_r分别表示在线速率r下光转发器的数量和光再生器的数量；

阻塞率计算单元，用于将该连接请求使用K条候选路径中的能耗由低到高对所述的K条候选路径进行优先级排序，其中，能耗越低，优先级越高，以及用于记录一组连接成功建立的个数，计算频谱灵活光网络的连接请求阻塞率；

频谱资源分配模块，用于根据所述的K条候选路径的优先级选择优先级高的候选路径进行频谱资源分配，具体包括：根据连接请求所需的频谱间隙，查找满足连接请求所需的带宽资源，为该连接请求分配频谱资源，

若频谱资源同时满足频谱连续性和频谱一致性双重约束条件，则在频谱灵活光网络中，则连接请求建立成功，则该候选路径为该连接请求的工作路径；

若频谱资源不满足频谱连续性约束条件和/或频谱一致性约束条件，则连接请求建立失败，选择优先级低一级的候选路径进行频谱资源分配，依次类推直至连接请求建立成功。

7.根据权利要求6所述的频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统，其特征在于，还包括负载均衡调节模块，用于在计算每一个连接请求的K条候选路径前首先进行负载均衡调节步骤，所述的负载均衡调节步骤包括：遍历频谱灵活光网络拓扑中的每一条光纤链路，当光纤链路的频谱资源占用率高于设定的阈值时，动态调整该条光纤链路的传输距离增大为原来的β倍，其中β＞1，每一条光纤链路自适应负载均衡后的光纤链路传输距离采用如下公式表示：

式中，

表示在光纤链路(v_i，v_j)中距离自适应负载均衡后的光纤链路传输距离；

表示频谱灵活光网络的光纤链路原传输距离；

表示频谱资源占用率；|F|表示光纤链路的频谱隙数目，α表示预设的参数，从节点v_i到节点v_j表示光纤链路(v_i，v_j)，其中，其中，v_i，v_j∈V，V＝{v₁，v₂，v₃，…，v_|V|}表示一组光交换节点，|V|表示光纤链路中的光交换节点的数量。

8.根据权利要求6所述的频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统，其特征在于，所述光再生器和光转发器的数量计算模块，包括再生器计算单元，用于遍历每条候选路径中的任意两个节点对，若节点对的传输距离小于连接请求采用线速率的最大传输距离，则该节点对建立连接链路，设置该连接链路权值为1个单位长度，形成计算再生器数目的临时拓扑；利用最短路径算法，在形成的临时拓扑中计算出一条权值最短的路径；该最短路径的节点数为N，连接请求路径经过的节点，除去源节点和目的节点即为放置光再生器的点，即配置光再生器数量为R＝(N-2)；

光转发器计算单元，在每一个连接请求的源节点和目的节点上，需要根据连接请求所切分的每一种线速率分别配置1个光转发器。

9.根据权利要求7所述的频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统，其特征在于，还包括频谱资源释放模块，用于在连接请求建立的工作路径中，释放连接请求占用的所有频谱资源，把占用的光转发器和光再生器硬件资源释放，把这个连接请求所建立的工作路径拆除。

10.根据权利要求6所述的频谱灵活光网络中自适应负载均衡能耗优化系统，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G(V，E，F)进行初始，即设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、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、设置频谱灵活光网络光转发器数目和光再生器数目；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|}表示可用频谱间隙的集合；|V|表示光纤链路中的光交换节点的数量，|E|表示光纤链路的数量，|F|表示频率间隙的数量；

还包括连接请求产生模块，用于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；

还包括网络状态监控模块，用于对网络初始化模块、连接请求产生模块、候选路径计算模块、光再生器和光转发器数量计算模块、频谱资源分配模块、负载均衡调节模块、频谱资源释放模块、网络能耗和阻塞率计算模块的运行状态进行监控；

还包括判决和预警模块，用于判断网络初始化模块、连接请求产生模块、候选路径计算模块、光再生器和光转发器数量计算模块、频谱资源分配模块、负载均衡调节模块、频谱资源释放模块、网络能耗和阻塞率计算模块是否运行成功的判决以及实现预警功能。

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