CN109039700B - 一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法及网络 - Google Patents

一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法及网络 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，即通过构建整数线性规划(ILP)优化模型和提出高效的启发式算法，评估该策略在提高网络频谱资源使用效率方面的优势，运营商按照策略获得的结果进行实际的铺设新节点，为运营商节省频谱资源和成本。

Description

一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法及网络
技术领域
本发明涉及一种光节点升级策略，具体为一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级策略以及将其应用到网络节点的铺设。
背景技术
由于云计算、大数据、物联网和人工智能等新兴信息技术的兴起，全球网络流量呈现爆发式的增涨。根据美国思科公司的预测，全球IP流量将在2016至 2021年间，以24％的复合年均增长率快速增长。为高效地承载这些急速增长的网络业务流量，对现有光网络的升级变得十分重要。目前，密集波分复用(DWDM) 技术由于其高效的传输带宽已被广泛地应用于骨干网和城域网中，但依旧存在两大瓶颈：(1)DWDM频谱栅格通常为50GHz，无法实现更细粒度的灵活频谱分配，从而影响了频谱使用效率；(2)DWDM网络采用了大量50-GHz间隔的阵列波导光栅(AWG)，限制了其对频谱带宽超过50-GHz的超级光通道的支持。
为克服传统DWDM网络中的瓶颈，提高光网络频谱使用效率，近年来新型光纤传输技术和光交换技术层出不穷。首先，在传输方面，新一代具有灵活频谱带宽分配能力的弹性光网络(EON)技术得到高速发展，被认为是替代传统DWDM 传输技术的下一代光网络技术。其次，为支持EON的无栅格特性，可重构光分插复用器(ROADM)技术也正从支持无色、无向、无阻塞的“三无”特性进一步向无色、无向、无阻塞、无栅格的“四无”特性演进。
为支持从DWDM光网络向EON的演进，需要对传统DWDM光网络中的ROADM节点进行升级，以支持EON的灵活带宽分配和频谱交换。然而，受制于劳动力资源和成本等因素，对于一个大型光网络，通常无法一次性地完成对其全部ROADM 节点的升级，而往往采取阶段性的逐步升级方式。
此外，以往研究往往都要求光通道的源、目的节点的ROADM类型必须保持一致，都未很好地解决不同代ROADM节点之间互通互联问题。这极大地制约了此类网络建立光通道业务的灵活性，也影响了其频谱资源的使用效率。
因此，需要一种新的技术方案来解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供一种网络节点升级策略，即通过构建整数线性规划(ILP)优化模型和提出高效的启发式算法，评估了该策略在提高网络频谱资源使用效率方面的优势，运营商按照策略获得的结果进行实际的铺设新节点，为运营商节省频谱资源和成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级策略，在给定的一个网络拓扑Gp＝(N,L)，中，将网络中的U个节点升级为新型“四无”ROADM节点，其中， N表示网络中所有的节点，L表示网络中所有链路，节点升级策略为基于节点升级收益策略(Node upgradationgain based，NUG)，即尝试升级每个节点，然后采用RMSA算法确定升级后网络使用的FS的最大索引值，最后选择索引值最小的节点首先升级，对于每个节点升级均采用上述过程，直到足够数量的节点完成升级。
基于节点升级收益策略具体操作如下：
输入：Gp＝(N,L)，U
Figure GDA0002961372530000021
Figure GDA0002961372530000031
一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级策略，还可以通过构建整数线性规划(ILP)模型，整数线性规划(ILP)模型的集合、参数和变量如下：
集合：
Figure GDA0002961372530000032
参数：
Figure GDA0002961372530000033
变量：
Figure GDA0002961372530000034
Figure GDA0002961372530000041
其中，节点对间的可用路由集合Pr，路由通过链路不相交K-Shortest路由算法(KSP)获得。
其中，假设每个FS的频谱带宽为12.5GHz。
其中，假设一个DWDM光通道所需FS数为4个。
其中，假设相邻光通道之间的防护频带个数为1个FS。
其中，节点对r之间路由p可用调制格式包括：BPSK，QPSK和8-QAM，它们单个FS的传输容量和光通道无中继最远传输距离如表1所示：
表1三种调制格式FS容量和无中继传输距离
Figure GDA0002961372530000042
所述整数线性规划(ILP)模型的目标函数：最小化：C。
所述整数线性规划(ILP)模型的约束条件：
Figure GDA0002961372530000051
Figure GDA0002961372530000061
一种弹性光网络，根据新型光节点升级策略所获得的结果进行新节点铺设。
针对从DWDM网络向弹性光网络升级过程中，升级节点的选择问题，本发明提出了高效的升级节点选择策略，通过构建整数线性规划(ILP)优化模型和提出高效的启发式算法，评估了该策略在提高网络频谱资源使用效率方面的优势，运营商按照策略获得的结果进行实际的铺设新节点，为运营商节省频谱资源和成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1(a)是实施例的方案1的升级节点链路图。
图1(b)是实施例的方案2的升级节点链路图。
图2是6节点，9链路的n6s9网络。
图3是10节点，22链路的SmallNet网络示意图。
图4是14节点，21链路的NSFNET网络示意图。
图5(a)展示了n6s9网络在X＝400和800的情况下网络中使用的FS的最大索引值。
图5(b)比较了不同策略升级节点选择情况。
图6是SmallNet网络仿真图。
图7是NSFNET网络仿真图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
我们首先通过一个例子展示选择不同升级节点对网络频谱资源使用效率的影响。如图1（a）和（b）所示，需要在6节点网络中选择2个节点，将其升级为“四无”ROADM节点。如图1(a) 所示，网络中链路(2-3)使用最多的频谱资源，如果选择升级节点0和1，升级后链路(0-1) 节约了一个频隙(FS)，但链路(2-3)上依旧需要6个DWDM波长，整个网络链路上所需的最大频谱资源并未减少。在图1(b)中，如果升级节点2和3，则链路(2-3)可节约8个频隙，对于整个网络，最大的使用频隙也减少8个，有效地提高了网络的频谱使用效率。由此可见，如何为光网络选择有效的升级节点，对于提高网络的频谱使用效率十分重要。接下来，我们将具体解决光网络升级节点选择问题。
本申请还提供了以下两种升级节点策略作为比较：
随机选择策略(Random)，即随机地从拓扑中选择升级节点；
基于节点物理维度策略(Node degree based，ND)，即将节点按照物理维度由高到低排序，然后从最高维度的节点开始依序升级。
为比较不同升级节点选择策略的性能，本文基于ILP模型和启发式算法，评估了混合栅格网络的频谱资源使用效率。图2-4分别给出了本文的测试网络：6节点，9链路的n6s9网络；10节点，22链路的SmallNet网络；14节点，21链路的NSFNET网络。其中，每条链路上的数字表示其物理距离，单位为km。
此外，我们假设每个网络中每条光纤链路可提供320个FS，每个FS的频谱带宽为12.5 GHz。光通道可选择的三种调制格式如表1所示。每个节点对之间的业务带宽需求在[200，X]Gb/s的范围内均匀分布，X表示节点对间的最高带宽需求。
针对ILP模型，采用链路不相交KSP路由算法，为每个节点对找到k条无共享链路的最短路由，形成可选路由集合。在2.4-GHz CPU和8G内存的64位服务器上，利用AMPL/Gurobi软件[18]求解ILP模型，其MIPGAP设置为5％。同时，采用JAVA语言开发了启发式算法。图5(a)展示了n6s9网络在X＝400和800的情况下网络中使用的FS的最大索引值。其中，“Random”，“ND”和“NUG”分别对应于三种升级节点选择策略的结果，“ILP”表示ILP 模型的结果，数字2表示节点对之间存在2条链路不相交的可选路由。
从图5(a)中可以发现，随着升级节点总数的增加，网络中使用的FS的最大索引值逐渐变小。
这是因为随着网络中升级节点数的增加，网络中频谱分配的灵活度不断提升，从而改善了网络的频谱资源使用效率。当全部节点均升级为新型“四无”ROADM光节点时，整个网络升级为完全的弹性光网络，所以其使用的FS的索引值最小。
此外，比较三种升级节点选择策略，可以发现两种非随机策略(NUG和ND)的性能优于随机策略，这是由于随机策略无法保证选取较优的升级节点组合，故无法保证其较优的结果。比较两种非随机策略，我们发现当为网络升级的节点数大于3个后，NUG策略性能优于ND策略，并与ILP模型的优化结果十分接近，这表明了所提出的NUG策略的高效性。运营商可根据升级策略获得的结果进行实际的铺设新节点，为运营商节省频谱资源和成本。
针对n6s9测试网络，图5(b)比较了当升级节点总数为3且X＝400时，不同策略升级节点选择情况。NUG策略和ILP模型都选择了节点2，3和4，而ND策略则选择了节点1， 2和3。能够提供和ILP模型相同的结果，这再一次表明了所提出的NUG策略的有效性。
类似地，对于SmallNet和NSFNET网络，我们也针对X＝400的情形进行了仿真。图6和7分别给出了相应的结果。可以发现，在采用NUG策略的网络中，其使用的FS的最大索引值始终小于或等于ND策略，这再一次证明了NUG策略的高效性。分析具体的节点选择情形，在SmallNet网络中，当升级节点数为6时，NUG策略使用的FS数明显少于ND策略，而它们的节点选择差异在于节点0和4。类似地，在NSFNET网络中，当升级节点数为10时， NUG策略需要明显更少的FS数，这主要由于两种策略在节点11和7上的不同选择。

Claims (10)

1.一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，在给定的一个网络拓扑Gp＝(N,L)中，将网络中的U个节点升级为新型ROADM节点，其中，N表示网络中所有的节点，L表示网络中所有链路，其特征在于：节点升级策略为基于节点升级收益策略，即尝试升级每个节点，然后采用RMSA算法确定升级后网络使用的FS的最大索引值，最后选择索引值最小的节点首先升级，对于每个节点升级均采用上述过程，直到足够数量的节点完成升级；基于节点升级收益策略的具体操作如下：
输入：Gp＝(N,L)，U
1)令NDWDM＝N,
Figure FDA0003202194480000011
k＝1；NDWDM表示网络中传统ROADM节点集合；NEON表示网络中新型ROADM节点集合；
2)如果k＝1，则选择经过其流量最大的节点n*为升级节点；光通道业务都在节点对间的最短路由上建立，统计每个节点上经过流量的总和，然后选择流量最大的节点；
3)如果k>1，则对于每一个n∈NDWDM；
4)采用基于SWP的RMSA算法，计算每个节点在其升级后网络使用的FS的最大索引值Cn；
5)令n*＝argminnCn；
6)NDWDM＝NDWDM\{n*}，NEON＝NEON∪{n*}；
7)如果k≤U，则返回步骤3)；否则终止；
所述SWP为频谱窗平面；所述RMSA为路由调制和频谱分配；所述FS为频隙；所述k表示路由。
2.根据权利要求1所述的一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，其特征在于：还可以构建整数线性规划ILP模型，所述整数线性规划ILP模型的集合、参数和变量如下：
集合：
L:网络中所有链路的集合；
N:网络中所有节点的集合；
R:网络中所有节点对的集合；
Pr:节点对r之间的可用路由集合，r∈R；
Figure FDA0003202194480000021
节点对r之间的路由p经过的节点集合，p∈Pr，r∈R；
Figure FDA0003202194480000022
节点对r之间的路由p经过的链路集合，p∈Pr，r∈R；
参数：
Tr:节点对r之间的业务带宽需求，单位为Gb/s；
Figure FDA0003202194480000023
节点对r之间路由p可用调制格式的最高频谱效率，BPSK、QPSK和8-QAM对应的频谱效率分别为1、2和3b/s/Hz；
Figure FDA0003202194480000024
一个较大值；
ε:每个FS的频谱带宽；
ρ:建立一个DWDM光通道所需FS数；
G:相邻光通道之间的防护频带个数；
σ:DWDM光通道中可用于传输用户数据的FS数，即σ＝ρ-G；
U:升级为ROADM节点的总数；
变量：
μn:一个二进制变量，当节点n被选择为升级节点时，值取为1，否则为0；
Figure FDA0003202194480000031
一个二进制变量，当节点对r之间的路由p上存在一个升级节点，取值为1；否则为0；
Figure FDA0003202194480000032
一个整数变量，表示节点对r之间的路由p上光通道的起始FS索引值；
Figure FDA0003202194480000033
一个二进制变量，如果
Figure FDA0003202194480000034
则取值为1，否则为0；
Figure FDA0003202194480000035
一个整数变量，表示路由p上光通道承载节点对r之间带宽需求的大小；
Figure FDA0003202194480000036
一个整数变量，表示当节点对r之间的路由p只包含EON节点时，其建立的光通道占用的FS数量；
Figure FDA0003202194480000037
一个整数变量，表示当节点对r之间的路由p包含DWDM节点时，其建立的光通道的起始波长索引值；
Figure FDA0003202194480000038
一个二进制变量，表示当节点对r之间路由p上的光通道的起始FS索引值大于0时，取值为1，否则为0；
Figure FDA0003202194480000039
一个整数变量，表示节点对r之间路由p上承载的DWDM光通道的数量；
C:整个网络使用的FS的最大索引值。
3.根据权利要求2所述的一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，其特征在于：节点对间的可用路由集合Pr，路由通过链路不相交K-Shortest路由KSP算法获得。
4.根据权利要求2所述的一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，其特征在于：每个FS的频谱带宽为12.5GHz。
5.根据权利要求2所述的一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，其特征在于：一个DWDM光通道所需FS数为4个。
6.根据权利要求2所述的一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，其特征在于：相邻光通道之间的防护频带个数为1个FS。
7.根据权利要求2所述的一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，其特征在于：节点对r之间路由p可用调制格式包括：BPSK，QPSK和8-QAM，它们单个FS的传输容量和光通道无中继最远传输距离为：
调制格式为BPSK时，每个FS容量为25Gb/s，无中继传输距离为4000km；
调制格式为QPSK时，每个FS容量为50Gb/s，无中继传输距离为2000km；
调制格式为8-QAM时，每个FS容量为75Gb/s，无中继传输距离为1000km。
8.根据权利要求2所述的一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，其特征在于：所述整数线性规划ILP模型的目标函数：C最小化。
9.根据权利要求2所述的一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法，其特征在于：所述整数线性规划ILP模型的约束条件：
(1)
Figure FDA0003202194480000041
(2)
Figure FDA0003202194480000042
确保当路由p上所有节点都为EON节点时，
Figure FDA0003202194480000043
(3)∑n∈Nμn＝U，实际升级节点的总数不超过允许升级的节点总数；
(4)
Figure FDA0003202194480000044
每个节点对间，在多条路径上传输的业务流量之和等于节点对间业务流量的总需求；
(5)
Figure FDA0003202194480000045
(6)
Figure FDA0003202194480000046
确保在包含DWDM节点的路由上建立的光通道的容量足够承载分配到该路由上的业务流量需求；
(7)
Figure FDA0003202194480000047
(8)
Figure FDA0003202194480000048
计算在经过DWDM节点路由上建立的光通道的起始FS索引值；
(9)
Figure FDA0003202194480000051
(10)
Figure FDA0003202194480000052
确保在皆为EON节点的路由上建立的光通道的容量足够承载分配到该路由上的业务流量需求；
(11)
Figure FDA0003202194480000053
(12)
Figure FDA0003202194480000054
计算在皆为EON节点的路由上建立的光通道的起始FS索引值；
(13)
Figure FDA0003202194480000055
(14)
Figure FDA0003202194480000056
(15)
Figure FDA0003202194480000057
确保任意两条光通道分配的频谱资源在它们的共享链路上不重叠；
(16)
Figure FDA0003202194480000058
(17)
Figure FDA0003202194480000059
计算网络中使用的FS的最大索引值。
10.一种弹性光网络，其特征在于：根据权利要求1-9任一项所述的一种向弹性光网络演进过程中的新型光节点升级方法所获得的结果进行新节点铺设。
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