CN108199881B - 骨干网中超低损耗光纤替换调度方法及系统 - Google Patents

骨干网中超低损耗光纤替换调度方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种骨干网中超低损耗光纤替换调度方法及系统，为了提高运营商的频谱使用效率而设计。本发明所述的方包括：S1分别计算各光纤链路替换后的增益，也即计算各光纤链路进行替换后减少的频隙FS数乘以到完成其余光纤链路全部替换剩余的时间；S2选择其中一个光纤链路替换后的增益最高的光纤链路进行替换；重复S1至S2，直至所有需要被替换的光纤链路全部替换完成。本发明通过确定最合理安排光纤的替换顺序，为运营商尽可能的节省频谱资源，供额外的业务使用。

Description

骨干网中超低损耗光纤替换调度方法及系统
技术领域
本发明涉及一种骨干网中超低损耗光纤替换调度方法及系统。
背景技术
为满足日益增长的通信业务需求，超长距离的光传输系统有望采用超低损耗光纤，以提高传输容量和频谱效率。康宁公司生产的超低损耗(Ultra-low loss，ULL)光纤SMF-28已经商用。得益于超低损耗光纤技术的发展，为满足未来的通信需求，超低损耗光纤全面取代标准单模光纤成为可能。
在针对超低损耗光纤优势的研究中，有一个重要的现实问题，即网络运营商用于替换光纤的人力资源是有限的，将已有的光纤被替换成超低损耗光纤，往往需要花费几周甚至几个月的时间。一旦某条超低损耗光纤替换完成，进行网络优化，有可能会减少当前正在使用的频谱资源，而新的可用频谱资源则可以携带额外的网络服务来获得额外的收入。例如：假设有三个链接，即N0-N1，N0-N2和N1-N2被替换。替换时间分别与链路长度成比例，即10,13和8天。分别考虑两个替换序列S1和S2。(S1：N1-N2；N0-N2；N0-N1，S2：N0-N2；N0-N1；N1-N2)。如果采用S1，由于链路N0-N2具有最高的频隙FS使用，在8天后完成链路N1-N2的替换，用于承载所有光信道的频隙FS的最大数量没有变化。相比之下，如果采用S2，在13天后完成链路N0-N2的替换，用于承载所有光信道的频隙FS的数量从10减少到6(6是链路N0-N1上使用的频隙FS的数量)。这意味着，对于S1中第二阶段(或者，更换第二个光纤链路时)，仍使用相同的最大频隙FS。而对于S2中的第二阶段，仅需要更少的频隙FS，更多的频隙FS可用于提供额外的服务。类似地，当替换第二根光纤链路时，在S1中，链路N0-N2被替换，频隙FS从10减少到6。在S2中，链路N0-N1被替换，使用的频隙FS从6减到5。现在我们可以评估ULL光纤链路替换这两个序列的收益。我们使用图1中两条曲线下面的区域来衡量效率，因为面积越小意味着替换时间乘以频谱资源的值越低。对于S1，其时间乘以频隙FS的值为270频隙FS×天，这对应于ULL光纤替换可获得的40-频隙FS×天收益。对于S2，其时间加权频隙FS使用量为230频隙FS×天，相当于ULL光纤替换可获得的80-频隙FS×天收益。显然，S2比S1增加了100％。
上面的例子显示了有效调度的ULL光纤链路替换策略的重要性。网络运营商希望在每条光纤链路替换后立即重新优化网络，以提高频谱效率。但同时，不同的超低损耗光纤替换顺序将严重影响网络运营商的优化效果。因此，如何安排光纤的替换顺序将是非常重要的研究课题。
鉴于上述，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种骨干网中超低损耗光纤替换调度方法及系统，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确定光纤的合理替换顺序，节省频谱资源，供额外的业务使用，提高了频谱使用效率。
为达到上述发明目的本发明骨干网中超低损耗光纤替换调度方法，所述的方法称为MG策略，所述的MG策略具体包括：
S1分别计算各光纤链路替换后的增益，也即计算各光纤链路进行替换后减少的频隙FS数乘以到完成其余光纤链路全部替换剩余的时间；S2选择其中一个光纤链路替换后的增益最高的光纤链路进行替换；重复S1至S2，直至所有需要被替换的光纤链路全部替换完成。
进一步地，利用线性规划模型ILP确定光纤换调度策略，具体包括：
构建线性规划模型ILP，以带替换光纤链路拓扑为输入，以最大化光纤链路替换过程的增益最大化为目标运行线性规划模型ILP，其中替换过程的增益公式为：∑k∈1..PCk-1·Tk；线性规划模型ILP的限制条件为：
约束1确保整个网络中使用的最大频隙FS数大于任何一条光通道的所占用的最后一个频隙FS，表达式：
Figure BDA0001534934500000021
约束2保证满足每一个光纤链路替换后每个节点对之间光通道业务请求，表达式：
Figure BDA0001534934500000022
约束3和4确保不同节点对之间的光信道在共享链路上如果有的话分配的频谱不重叠，表达式：
Figure BDA0001534934500000031
Figure BDA0001534934500000032
约束5计算每一次光纤替换后光通道的光信噪比，表达式：
Figure BDA0001534934500000033
约束6确保每个光通道选择的调制格式满足光信噪比的要求，表达式：
Figure BDA0001534934500000034
约束7保证在每次光纤替换后，节点对之间只选择一个调制格式，表达式：
Figure BDA0001534934500000035
约束8和9确保在每次替换，只有一条光纤链接被替换，约束8和10保证，如果被选为要替换的光纤链路，它一定会在某次替换中内被超低损耗光纤替换，表达式：
Figure BDA0001534934500000036
Figure BDA0001534934500000037
Figure BDA0001534934500000038
约束11计算每个替换过程所需的时间，表达式：
Figure BDA0001534934500000039
所述的表达式中字母代表含义分别为：
Figure BDA00015349345000000310
节点对d采用调制格式m时需要的频隙FS数；
Figure BDA00015349345000000311
光通道采用调制格式m时OSNR容限；
Figure BDA00015349345000000312
当节点对之间的最短路由经过链路l；否则为0；
Figure BDA00015349345000000313
当节点对d和t间最短路由共享链路；否则为0；
P总共需要替换的光纤个数；
θl＝1当链路l将计划被替换；否则为0；
Figure BDA0001534934500000041
是光纤l被替换的周期；
Figure BDA0001534934500000042
是链路l使用标准单模光纤时的OSNR值；
Figure BDA0001534934500000043
是链路l使用ULL光纤时的OSNR值；
Figure BDA0001534934500000044
是一个极大值；
Sd，k，整数变量，节点对d在第k个周期占用的起始频隙；
Figure BDA0001534934500000045
二进制变量，在第第k个周期后，当节点对d间光通道占用的起始频隙大于节点对t时，为1，即Sd，k＞St，k；否则为0；
Figure BDA0001534934500000046
是二进制变量，当链路l在第k个周期被ULL光纤替换为1；否则为0；
Figure BDA0001534934500000047
在第k个周期后，节点对d间光通道的OSNR值；
Figure BDA0001534934500000048
二进制变量，当第k个周期后，节点对d使用调制格式m则为1；否则为0；
Fd，k节点对d所需的频隙数；
Ck在第k个周期以后，网络最大频隙数；
Tk第k个替换周期耗费时间。
进一步地，还包括通过线性规划模型ILP确定待光纤链路的过程，若线性规划模型ILP确定待光纤链路的过程与权利要求1计算的光纤链路的替换过程不一致时，采用线性规划模型ILP确定待光纤链路的过程进行光纤链路的替换。
为达到上述发明目的，本发明骨干网中超低损耗光纤替换调度系统，包括：
增益计算单元，用于选择当次替换链路前，分别计算各光纤链路替换后的增益，也即计算各光纤链路进行替换后减少的频隙FS数乘以到完成其余光纤链路全部替换剩余的时间；
替换链路选择单元，用于根据增益计算单元的结果，选择其中一个光纤链路替换后的增益最高的光纤链路完成当次光纤链路替换；
增益计算单元、替换链路选择单元重复运行直至所有需要被替换的光纤链路全部替换完成。
进一步地，还包括线性规划模型ILP，所述线性规划模型ILP，以带替换光纤链路拓扑为输入，以最大化光纤链路替换过程的增益最大化为目标运行线性规划模型ILP，∑k∈ 1..PCk-1·Tk；线性规划模型ILP的限制条件为：
约束1确保整个网络中使用的最大频隙FS数大于任何一条光通道的所占用的最后一个频隙FS，表达式：
Figure BDA0001534934500000051
约束2保证满足每一个光纤链路替换后每个节点对之间光通道业务请求，表达式：
Figure BDA0001534934500000052
约束3和4确保不同节点对之间的光信道在共享链路上如果有的话分配的频谱不重叠，表达式：
Figure BDA0001534934500000053
Figure BDA0001534934500000054
约束5计算每一次光纤替换后光通道的光信噪比，表达式：
Figure BDA0001534934500000055
约束6确保每个光通道选择的调制格式满足光信噪比的要求，表达式：
Figure BDA0001534934500000056
约束7保证在每次光纤替换后，节点对之间只选择一个调制格式，表达式：
Figure BDA0001534934500000057
约束8和9确保在每次替换，只有一条光纤链接被替换，约束8和10保证，如果被选为要替换的光纤链路，它一定会在某次替换中内被超低损耗光纤替换，表达式：
Figure BDA0001534934500000058
Figure BDA0001534934500000061
Figure BDA0001534934500000062
约束11计算每个替换过程所需的时间，表达式：
Figure BDA0001534934500000063
所述的表达式中字母代表含义分别为：
Figure BDA0001534934500000064
节点对d采用调制格式m时需要的频隙FS数；
Figure BDA0001534934500000065
光通道采用调制格式m时OSNR容限；
Figure BDA0001534934500000066
当节点对之间的最短路由经过链路l；否则为0；
Figure BDA0001534934500000067
当节点对d和t间最短路由共享链路；否则为0；
P总共需要替换的光纤个数；
Figure BDA00015349345000000616
当链路l将计划被替换；否则为0；
Figure BDA0001534934500000068
是光纤l被替换的周期；
Figure BDA0001534934500000069
是链路l使用标准单模光纤时的OSNR值；
Figure BDA00015349345000000610
是链路l使用ULL光纤时的OSNR值；
Figure BDA00015349345000000611
是一个极大值；
Sd，k，整数变量，节点对d在第k个周期占用的起始频隙；
Figure BDA00015349345000000612
二进制变量，在第第k个周期后，当节点对d间光通道占用的起始频隙大于节点对t时，为1，即Sd，k＞St，k；否则为0；
Figure BDA00015349345000000613
是二进制变量，当链路l在第k个周期被ULL光纤替换为1；否则为0；
Figure BDA00015349345000000614
在第k个周期后，节点对d间光通道的OSNR值；
Figure BDA00015349345000000615
二进制变量，当第k个周期后，节点对d使用调制格式m则为1；否则为0；
Fd，k节点对d所需的频隙数；
Ck在第k个周期以后，网络最大频隙数；
Tk第k个替换周期耗费时间。
进一步地，还包括策略选择单元，用于确定光纤链路替换网络的网络规模，基于预定的网络规模分界值，确定利用MG策略或线性规划模型确定光纤替换调度顺序方法利用线性规划模型ILP确定光纤换调度策略进行光纤替换顺序的运算；
若网络模型大于、等于预定网络规模分界值，则采用MG策略；
若网络模型小于预定网络规划分界值，则采用利用线性规划模型ILP确定光纤换调度策略；
其中，所述的预定网络规模分界值根据硬件的运算能力确定。
借由上述方案，本发明骨干网中超低损耗光纤替换调度方法及系统具有以下优点：
本发明由于技术方案中选择增益最高的光牵链路进行替换，可以为运营商尽可能的节省频谱资源，供额外的业务使用，有效提高了运营商的频谱使用效率。
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是在n6s9网络中，随着替换比例的增加，FS乘以时间的增益不断增加；
图2是不同替换周期的最大使用FS数；
图3是本发明提供的方法与其他两个策略增益比较。
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
本实施例骨干网中超低损耗光纤替换调度方法，所述的方法称为MG策略：具体包括：
S1分别计算各光纤链路替换后的增益，也即计算各光纤链路进行替换后减少的频隙FS数乘以到完成其余光纤链路全部替换剩余的时间；
S2选择其中一个光纤链路替换后的增益最高的光纤链路进行替换；
重复S1至S2，直至所有需要被替换的光纤链路全部替换完成。
本实施例中，以两种测试网络为例，即6节点9条链路的n6s9网络和24节点43链路的USNET。在每个光纤链路，最多有320个FS，每个FS具有12.5-GHz频谱的带宽。在每个光纤链路中，光放大器被部署在等距离上，放大器之间的距离小于80公里。ULL光纤为CorningSMF-28ULL光纤，衰减系数0.168分贝/公里。网络中有四调制格式(即BPSK、QPSK、16-QAM和8-QAM)可供建立光通道。每个节点对之间的光通道业务请求[10,200]Gb/s的范围内随机生成。每个节点对之间建立的光信道始终遵循最短路径，服从频谱连续性约束。
本实施例的光纤替换调度策略称为MG的策略，其他还有的策略分别称为：基于PL的策略、随机策略，其中，基于PL的策略：按被替换的光纤链路长度，有长到短依次替换顺序。随机策略：随机生成光纤链路的替换序列。
如图1至3所示，在n6s9网络中，随着替换比例的增加，FS乘以时间的增益不断增加。这种现象很合理，当替换光纤的比例越高，网络中光纤通道能够使用更高效的调制格式的机会更大，从而增加频谱利用率。对三种启发式算法的比较，MG策略获得的增益最高，其性能几乎与ILP模型的最佳性能相同。MG策略与其他两种算法的性能差异分别达到66％和36％。
假设n6s9网络中ULL光纤替代率为80％时，图2显示了不同替换周期的最大使用FS数。与其他两种策略相比，MG策略在不同的替换阶段总是需要最少的最大FS数。这是因为MG的策略选择替换光纤时，选取了收益最大的光纤进行替换。类似的研究也在USNET网络上进行，其结果如图3所示。由于网络较大，ILP模型无法在有效时间内给出解。与n6s9网络一样，MG策略的增益最大，比其他两个策略增益分别高66％和200％。
实施例2
本实施例骨干网中超低损耗光纤替换调度方法，本实施例适用于运算量较小的小型网络，具体方法包括：
构建线性规划模型ILP，以带替换光纤链路拓扑为输入，以最大化光纤链路替换过程的增益最大化为目标运行线性规划模型ILP，其中替换过程的增益公式为：∑k∈1..PCk-1·Tk；线性规划模型ILP的限制条件为：
约束1确保整个网络中使用的最大频隙FS数大于任何一条光通道的所占用的最后一个频隙FS，表达式：
Figure BDA0001534934500000091
约束2保证满足每一个光纤链路替换后每个节点对之间光通道业务请求，表达式：
Figure BDA0001534934500000092
约束3和4确保不同节点对之间的光信道在共享链路上如果有的话分配的频谱不重叠，表达式：
Figure BDA0001534934500000093
Figure BDA0001534934500000094
约束5计算每一次光纤替换后光通道的光信噪比，表达式：
Figure BDA0001534934500000095
约束6确保每个光通道选择的调制格式满足光信噪比的要求，表达式：
Figure BDA0001534934500000096
约束7保证在每次光纤替换后，节点对之间只选择一个调制格式，表达式：
Figure BDA0001534934500000097
约束8和9确保在每次替换，只有一条光纤链接被替换，约束8和10保证，如果被选为要替换的光纤链路，它一定会在某次替换中内被超低损耗光纤替换，表达式：
Figure BDA0001534934500000101
Figure BDA0001534934500000102
Figure BDA0001534934500000103
约束11计算每个替换过程所需的时间，表达式：
Figure BDA0001534934500000104
所述的表达式中字母代表含义分别为：
Figure BDA0001534934500000105
节点对d采用调制格式m时需要的频隙FS数；
Figure BDA0001534934500000106
光通道采用调制格式m时OSNR容限；
Figure BDA0001534934500000107
当节点对之间的最短路由经过链路l；否则为0；
Figure BDA0001534934500000108
当节点对d和t间最短路由共享链路；否则为0；
P总共需要替换的光纤个数；
Figure BDA00015349345000001015
当链路l将计划被替换；否则为0；
Figure BDA0001534934500000109
是光纤l被替换的周期；
Figure BDA00015349345000001010
是链路l使用标准单模光纤时的OSNR值；
Figure BDA00015349345000001011
是链路l使用ULL光纤时的OSNR值；
Figure BDA00015349345000001012
是一个极大值；
Sd，k，整数变量，节点对d在第k个周期占用的起始频隙；
Figure BDA00015349345000001013
二进制变量，在第第k个周期后，当节点对d间光通道占用的起始频隙大于节点对t时，为1，即Sd，k＞St，k；否则为0；
Figure BDA00015349345000001014
是二进制变量，当链路l在第k个周期被ULL光纤替换为1；否则为0；
Figure BDA0001534934500000111
在第k个周期后，节点对d间光通道的OSNR值；
Figure BDA0001534934500000112
二进制变量，当第k个周期后，节点对d使用调制格式m则为1；否则为0；
Fd，k节点对d所需的频隙数；
Ck在第k个周期以后，网络最大频隙数；
Tk第k个替换周期耗费时间。
上述实施例中，确定光纤链路替换网络的网络规模，基于预定的网络规模分界值，确定利用MG策略或线性规划模型确定光纤替换调度顺序方法利用线性规划模型ILP确定光纤换调度策略进行光纤替换顺序的运算；
若网络模型大于、等于预定网络规模分界值，则采用MG策略；
若网络模型小于预定网络规划分界值，则采用利用线性规划模型ILP确定光纤换调度策略；
其中，所述的预定网络规模分界值根据硬件的运算能力确定。
例如，针对少于10个节点的小规模网络，若线性规划模型ILP确定替换光纤链路的过程优于实施例1计算的光纤链路的替换过程，则采用线性规划模型ILP确定待光纤链路的过程进行光纤链路的替换，针对不小于10节点的大规模网络，若线性规划模型ILP无法在一定时间内获得最优的替换光纤链路过程，则采用实施例1计算的光纤链路的替换过程。
实施例3
本实施例骨干网中超低损耗光纤替换调度系统，包括：
增益计算单元，用于选择当次替换链路前，分别计算各光纤链路替换后的增益，也即计算各光纤链路进行替换后减少的频隙FS数乘以到完成其余光纤链路全部替换剩余的时间；
替换链路选择单元，用于根据增益计算单元的结果，选择其中一个光纤链路替换后的增益最高的光纤链路完成当次光纤链路替换；
增益计算单元、替换链路选择单元重复运行直至所有需要被替换的光纤链路全部替换完成。
本实施例，还包括线性规划模型ILP，所述线性规划模型ILP，以带替换光纤链路拓扑为输入，以最大化光纤链路替换过程的增益最大化为目标运行线性规划模型ILP，∑k∈ 1..PCk-1·Tk；线性规划模型ILP的限制条件为：
约束1确保整个网络中使用的最大频隙FS数大于任何一条光通道的所占用的最后一个频隙FS，表达式：
Figure BDA0001534934500000121
约束2保证满足每一个光纤链路替换后每个节点对之间光通道业务请求，表达式：
Figure BDA0001534934500000122
约束3和4确保不同节点对之间的光信道在共享链路上如果有的话分配的频谱不重叠，表达式：
Figure BDA0001534934500000123
Figure BDA0001534934500000124
约束5计算每一次光纤替换后光通道的光信噪比，表达式：
Figure BDA0001534934500000125
约束6确保每个光通道选择的调制格式满足光信噪比的要求，表达式：
Figure BDA0001534934500000126
约束7保证在每次光纤替换后，节点对之间只选择一个调制格式，表达式：
Figure BDA0001534934500000127
约束8和9确保在每次替换，只有一条光纤链接被替换，约束8和10保证，如果被选为要替换的光纤链路，它一定会在某次替换中内被超低损耗光纤替换，表达式：
Figure BDA0001534934500000131
Figure BDA0001534934500000132
Figure BDA0001534934500000133
约束11计算每个替换过程所需的时间，表达式：
Figure BDA0001534934500000134
所述的表达式中字母代表含义分别为：
Figure BDA0001534934500000135
节点对d采用调制格式m时需要的频隙FS数；
Figure BDA0001534934500000136
光通道采用调制格式m时OSNR容限；
Figure BDA0001534934500000137
当节点对之间的最短路由经过链路l；否则为0；
Figure BDA0001534934500000138
当节点对d和t间最短路由共享链路；否则为0；
P总共需要替换的光纤个数；
Figure BDA00015349345000001316
当链路l将计划被替换；否则为0；
Figure BDA0001534934500000139
是光纤l被替换的周期；
Figure BDA00015349345000001310
是链路l使用标准单模光纤时的OSNR值；
Figure BDA00015349345000001311
是链路l使用ULL光纤时的OSNR值；
Figure BDA00015349345000001312
是一个极大值；
Sd，k，整数变量，节点对d在第k个周期占用的起始频隙；
Figure BDA00015349345000001313
二进制变量，在第第k个周期后，当节点对d间光通道占用的起始频隙大于节点对t时，为1，即Sd，k＞St，k；否则为0；
Figure BDA00015349345000001314
是二进制变量，当链路l在第k个周期被ULL光纤替换为1；否则为0；
Figure BDA00015349345000001315
在第k个周期后，节点对d间光通道的OSNR值；
Figure BDA0001534934500000141
二进制变量，当第k个周期后，节点对d使用调制格式m则为1；否则为0；
Fd，k节点对d所需的频隙数；
Ck在第k个周期以后，网络最大频隙数；
Tk第k个替换周期耗费时间。
本实施例中，还包括策略选择单元，用于确定光纤链路替换网络的网络规模，基于预定的网络规模分界值，确定利用MG策略或线性规划模型确定光纤替换调度顺序方法利用线性规划模型ILP确定光纤换调度策略进行光纤替换顺序的运算；
若网络模型大于、等于预定网络规模分界值，则采用MG策略；
若网络模型小于预定网络规划分界值，则采用利用线性规划模型ILP确定光纤换调度策略；
其中，所述的预定网络规模分界值根据硬件的运算能力确定。本实施例，为了实现上述实施例1中所述的方法而设计，具体优点在上述实施例1中已经叙述过了，在此不再赘述。
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 (2)

1.一种骨干网中超低损耗光纤替换调度方法，其特征在于，所述的方法称为MG策略，所述的MG策略具体包括：
S1分别计算各光纤链路替换后的增益，也即计算各光纤链路进行替换后减少的频隙FS数乘以到完成其余光纤链路全部替换剩余的时间；S2选择其中一个光纤链路替换后的增益最高的光纤链路进行替换；重复S1至S2，直至所有需要被替换的光纤链路全部替换完成。
2.一种骨干网中超低损耗光纤替换调度系统，其特征在于，包括：
增益计算单元，用于选择当次替换链路前，分别计算各光纤链路替换后的增益，也即计算各光纤链路进行替换后减少的频隙FS数乘以到完成其余光纤链路全部替换剩余的时间；
替换链路选择单元，用于根据增益计算单元的结果，选择其中一个光纤链路替换后的增益最高的光纤链路完成当次光纤链路替换；
增益计算单元、替换链路选择单元重复运行直至所有需要被替换的光纤链路全部替换完成。
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