CN109039878B - 一种适用于卫星光交换网络的业务接入方法及系统 - Google Patents

一种适用于卫星光交换网络的业务接入方法及系统 Download PDF

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一种适用于卫星光交换网络的业务接入方法及系统，其中方法通过下述方式实现：对需要接入到空间光交换网络中业务的通信速率、复用程度和端到端延迟要求进行评估，根据评估结果结合卫星光交换网络的特点选择以OBS或OFS光交换体制进行接入。本发明可以在确保待接入业务对通信速率和端到端延迟要求的前提下，尽可能地提升光链路资源利用率和业务复用程度。

Description

一种适用于卫星光交换网络的业务接入方法及系统
技术领域
本发明涉及一种适用于卫星光交换网络的业务接入方法，属于通信技术领域。
背景技术
目前主流的光交换体制主要有OCS(光线路交换)、OFS(光流交换)、OBS(光突发交换)和OPS(光分组交换)：
(1)、OCS以一个波长通道为最小交换单元。在OCS中每个连接请求都会通过端到端的光通道进行通信，光通道的建立采用了双向信道预留方式，源节点发出建立连接请求的数据分组，只有源节点在接收到来自目的节点的确认信息后才开始发送数据，光交换粒度为一个波长，适合高速率、高带宽的业务传输，并且要求业务的生存时间相对于光通道的建立时间足够长。
(2)、OFS是以从源端到目的端的业务流作为最小交换单元，流是指从源端到目的端单向传输的有序分组。在OFS中，为每个流的传输建立特定的光传输通道，传输通道的建立依赖于双向的资源预留机制。OFS的交换粒度为一个流，光链路的统计复用水平和实际链路利用率高于OCS，特别适合于高带宽、持续时间较长而又对交换灵活性有一定要求的业务。
(3)、OPS采用“存储-转发”式交换方式，在光链路资源使用上，OPS可以采用单向预约或不预约方式，实现了光学层面上的细粒度信息交换，具有较高的带宽利用率。OPS以光分组作为最小的交换单元，在任何业务类型下均能够达到较高的光链路利用率和统计复用程度，相比于其他交换体制，OPS特别适合于持续时间较短的业务。
(4)、OBS以光突发包作为最小的交换单元，在光链路资源使用上单向预留机制，BDP(突发数据包)和BCP(突发控制包)独立传输。OBS具有中等的交换粒度和较低的控制开销，支持带宽统计复用，具有较高的带宽利用率；采用控制信道和数据信道分离传输方式，避免了光交换节点的缓存处理，能够有效地降低端到端时延。
以上光交换体制的主要区别在于光交换粒度。OCS的交换粒度是一个波长、OFS的交换粒度是一个业务流流、OBS的交换粒度是一个突发、OPS的交换粒度为一个光分组。交换粒度越小，光链路统计复用程度越高，光链路资源利用率越高，光交换的控制就越复杂。考虑到空间光通信网络对统计复用的需求，在空间光通信网络中不适合采用OCS交换体制。由于目前OPS技术尚未大规模应用，面向星上使用的光缓存器件也尚未成熟，因此在空间光通信网络中也不适合采用OPS交换体制。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于卫星光交换网络的业务接入方法及系统，可以在确保待接入业务对通信速率和端到端延迟要求的前提下，尽可能地提升光链路资源利用率和业务复用程度。
本发明的技术解决方案是：一种适用于卫星光交换网络的业务接入方法，通过下述方式实现：
对需要接入到空间光交换网络中业务的通信速率、复用程度和端到端延迟要求进行评估，根据评估结果结合卫星光交换网络的特点选择以OBS或OFS光交换体制进行接入。
进一步的，选择以OBS或OFS光交换体制进行接入具体遵循OBS或OFS光交换体制选取准则，通过分别计算采用OBS体制接入和采用OFS体制接入时的卫星光链路信道利用率和业务源端到目的端传输延迟确定。
进一步的，OBS或OFS光交换体制选取准则具体如下：
在光链路不存在复用的情况下，若业务带宽超过以OBS体制接入时端到端延迟为有限的最大值时，则选择以OFS体制接入；否则对比OFS和OBS体制接入的业务源端到目的端传输延迟，选择低延迟的体制进行接入；
在光链路存在复用的情况下，计算以OBS体制接入的业务源端到目的端传输延迟，若能满足所有业务的要求，则采用OBS体制接入方式，否则从重要程度最低的业务开始，按照重要程度由低到高的次序依次去掉一个业务，重新计算OBS体制下的业务源端到目的端传输延迟，若满足业务要求，则选用OBS体制进行接入；若所有业务的要求均无法得到满足，则对重要性最高的业务采用OFS体制接入。
进一步的，OBS体制下的光链路信道利用率
Figure BDA0001740311850000031
业务源端到目的端的传输延迟Ts具体计算公式如下：
Figure BDA0001740311850000032
上述，
Figure BDA0001740311850000033
为源节点到目的节点光交换链路中第j跳输出波长i上的业务到达率；Tp为BCP的处理延迟，Tr是单跳传输延迟；业务源端到目的端传输共需要N跳光突发交换。
进一步的，OFS体制的光链路的信道利用率为
Figure BDA0001740311850000034
业务源端到目的端的传输延迟T′S的公式如下：
T′S＝2N(Tp+Tr)+NTr
式中，相邻卫星节点间的光信号传输时延为Tr，控制分组经过节点电域处理所用时间为Tp，通信业务持续时间为TD，源端到目的端传输共需要N跳，通信业务的速率为SD，光链路传输带宽为ST。
一种适用于卫星光交换网络的业务接入系统，包括OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元、OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元、业务接入体制选择单元和迭代计算单元；
OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元，根据OBS光交换体制下业务通信特点，计算采用OBS体制接入业务时的光链路信道利用率
Figure BDA0001740311850000035
以及业务源端到目的端的传输延迟Ts；
OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元，根据OFS光交换体制下业务通信特点，计算采用OFS体制接入业务时的光链路信道利用率η以及业务源端到目的端的传输延迟T′S；
业务接入体制选择单元，在光链路不存在复用的情况下，若业务带宽超过以OBS体制接入时端到端延迟为有限的最大值时，则选择OFS光交换体制接入；否则调用OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元、OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元分别计算两种体制下的光链路信道利用率和业务源端到目的端的传输延迟；选择延迟低的接入方式；在光链路存在复用的情况下，调用OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元计算业务源端到目的端的传输延迟，若能满足所有业务的要求，则采用OBS接入方式，若不能满足所有业务要求则调用迭代计算单元；
迭代计算单元，从重要程度最低的业务开始，按照重要程度由低到高的次序依次去掉一个业务，调用OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元计算业务源端到目的端的传输延迟，若满足，则将剩余业务采用OBS体制进行接入；若所有业务的要求均无法得到满足，则将重要性最高的业务采用OFS体制接入。
进一步的，所述的OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元通过下述方式实现：
首先，根据光网络拓扑和业务分部情况计算源节点到目的节点光交换链路中第j跳输出波长i上的业务到达率
Figure BDA0001740311850000041
然后，根据上述业务到达率
Figure BDA0001740311850000042
计算输出波长上光突发无碰撞概率
Figure BDA0001740311850000043
以及光链路信道利用率
Figure BDA0001740311850000044
进而确定源端到目的端成功传输的概率
Figure BDA0001740311850000045
最后，根据上述计算的概率ps确定业务源端到目的端的传输延迟Ts。
进一步的，所述的业务源端到目的端的传输延迟Ts具体计算公式如下：
Figure BDA0001740311850000046
上述NTp为BCP的处理延迟，NTr是传输延迟；业务源端到目的端传输共需要N跳光突发交换。
进一步的，所述的OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元确定的光链路的信道利用率为
Figure BDA0001740311850000051
式中，相邻卫星节点间的光信号传输时延为Tr，控制分组经过节点电域处理所用时间为Tp，通信业务持续时间为TD，源端到目的端传输共需要N跳，通信业务的速率为SD，光链路传输带宽为ST。
进一步的，所述的OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元确定业务源端到目的端的传输延迟T′S的公式如下：
T′S＝2N(Tp+Tr)+NTr
进一步的，以OBS体制接入时端到端延迟为有限时所能支持业务带宽的最大值为光链路带宽的36.8％。
本发明与现有技术相比有益效果为：本发明根据卫星光通信网络的业务特点和技术现状，提出了根据业务特点灵活选择OFS(光流交换)和OBS(光突发交换)接入方式，兼顾业务的服务质量保障需求和卫星光链路的资源利用率。本专利研究了目前主流的卫星光交换体制OBS和OFS在卫星光交换网络应用时的端到端传输延迟和光链路利用率，提出了一种基于业务通信速率、端到端传输时延要求以及业务复用程度等要素的卫星光交换网络的接入方法，这种方法能够兼顾卫星光交换网络中不同种类业务的服务质量保障需求和卫星光链路的资源利用率，有效地提升卫星光通信网络的业务传输和服务质量保障能力。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为OBS体制下业务通信流程；
图3为OFS体制下业务通信流程；
图4为业务接入体制选择单元和迭代计算单元流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
一种适用于卫星光交换网络的业务接入方法，如图4所示，主要对需要接入到空间光交换网络中业务的通信速率、复用程度和端到端延迟要求进行评估，根据评估结果结合卫星光交换网络的特点选择以OBS或OFS光交换体制进行接入。其中选择以OBS或OFS光交换体制进行接入具体遵循OBS或OFS光交换体制选取准则，通过分别计算采用OBS体制接入和采用OFS体制接入时的卫星光链路信道利用率和业务源端到目的端传输延迟确定。
具体的OBS或OFS光交换体制选取准则具体如下：
在光链路不存在复用的情况下，若业务带宽超过以OBS体制接入时端到端延迟为有限的最大值时，则选择以OFS体制接入；否则对比OFS和OBS体制接入的业务源端到目的端传输延迟，选择低延迟的体制进行接入；
在光链路存在复用的情况下，计算以OBS体制接入的业务源端到目的端传输延迟，若能满足所有业务的要求，则采用OBS体制接入方式，否则从重要程度最低的业务开始，按照重要程度由低到高的次序依次去掉一个业务，重新计算OBS体制下的业务源端到目的端传输延迟，若满足业务要求，则选用OBS体制进行接入；若所有业务的要求均无法得到满足，则对重要性最高的业务采用OFS体制接入。
如图1所示，本发明系统包括OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元、OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元、业务接入体制选择单元和迭代计算单元等；
OBS体制接入业务端到端延迟计算单元：如图2所示，OBS光交换体制将不同类型的业务汇聚成相互独立的突发进行传输，业务通信分为两个阶段，第一个阶段是BCP进行单向资源预约，第二个阶段是发送BDP。假设源端到目的端传输共需要N跳光突发交换，光突发长度为T。根据光网络拓扑和业务分部情况计算源节点到目的节点光交换链路中第j跳输出波长i上的业务到达率为
Figure BDA0001740311850000061
计算出输出波长上光突发无碰撞概率为
Figure BDA0001740311850000062
光链路信道利用率为
Figure BDA0001740311850000063
源端到目的端成功传输的概率为
Figure BDA0001740311850000064
源端到目的端的传输延迟由两部分构成，一部分是BCP的处理延迟NTp，另一部分是传输延迟NTr，则源端需要等待两倍端到端传输延迟之后进行重传，直到传输成功为止。可以计算出业务端到端传输延迟Ts为：
Figure BDA0001740311850000071
OFS体制接入业务端到端延迟计算单元：如图3所示，OFS光交换采用双向资源预留策略，主要分为建链、通信、拆链三个步骤。在业务通信开始之前，需要完成建链过程；在业务通信结束之后，需要完成拆链过程；在业务通信过程中，源端独占一个完整的光信道(某个波长)进行业务传输。若相邻卫星节点间的光信号传输时延为Tr，控制分组经过节点电域处理所用时间为Tp，通信业务持续时间为TD，源端到目的端传输共需要N跳，通信业务的速率为SD，光链路传输带宽为ST，光链路的信道利用率为
Figure BDA0001740311850000072
传输延迟为T′S＝2N(Tp+Tr)+NTr。
业务接入体制选择单元：分别调用上述两个计算单元计算采用OBS和采用OFS接入时的光链路信道利用率和传输延迟；在光链路不存在复用的情况下，若业务带宽超过以OBS体制接入时端到端延迟为有限的最大值时，则选择OFS接入；否则对比OFS和OBS接入的端到端延迟，选择延迟低的接入方式；在光链路存在复用的情况下，计算OBS接入的端到端延迟，若能满足所有业务的要求，则采用OBS接入方式，否则通过迭代计算单元计算。
上述以OBS体制接入时端到端延迟为有限的最大值为光链路带宽的36.8％，当以OBS体制接入时端到端延迟超过36.8％时，端到端的延迟趋近于无穷大。
迭代计算单元：在光链路存在复用的情况下，若采用OBS接入不能满足所有业务的要求，则迭代计算去掉重要程度最低的业务后的端到端传输延迟。当所计算业务的端到端传输延迟均满足要求是，迭代正常退出，若所有业务均不能不满端到端传输延迟要求时，选择一个重要程度最高的业务并采用OFS接入体制。
实施例
假设需要接入到卫星光交换网络的业务从源端到目的端的传输跳数N＝5，BCP的处理延迟Tp＝10ms，传输延迟Tr＝200ms，业务持续时间为10s，业务带宽和光链路传输带宽的比值为0.1。计算以OBS方式接入的光链路利用率和端到端传输延迟：在每个光突发交换节点上，光突发交换单元j的输出波长i上的业务到达率为
Figure BDA0001740311850000081
计算出输出波长上光突发无碰撞概率为
Figure BDA0001740311850000082
Figure BDA0001740311850000083
光链路利用率为
Figure BDA0001740311850000084
源端到目的端成功传输的概率为
Figure BDA0001740311850000085
业务端到端传输延迟Ts＝2409.2ms。计算以OFS方式接入的光链路利用率和端到端传输延迟：传输延迟为T′S＝3720ms，光链路利用率η＝7.29％。按照光交换业务接入方法进行判定，业务不存在复用，业务带宽和光链路总带宽的比值没有超过36.8％，以OBS方式接入的端到端时延小于以OFS方式接入，因此该业务应选择以OBS方式接入。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种适用于卫星光交换网络的业务接入方法，其特征在于通过下述方式实现：
对需要接入到空间光交换网络中业务的通信速率、复用程度和端到端延迟要求进行评估，根据评估结果结合卫星光交换网络的特点选择以OBS或OFS光交换体制进行接入；选择以OBS或OFS光交换体制进行接入具体遵循OBS或OFS光交换体制选取准则，通过分别计算采用OBS体制接入和采用OFS体制接入时的卫星光链路信道利用率和业务源端到目的端传输延迟确定；OBS或OFS光交换体制选取准则具体如下：
在光链路不存在复用的情况下，若业务带宽超过以OBS体制接入时端到端延迟为有限的最大值时，则选择以OFS体制接入；否则对比OFS和OBS体制接入的业务源端到目的端传输延迟，选择低延迟的体制进行接入；
在光链路存在复用的情况下，计算以OBS体制接入的业务源端到目的端传输延迟，若能满足所有业务的要求，则采用OBS体制接入方式，否则从重要程度最低的业务开始，按照重要程度由低到高的次序依次去掉一个业务，重新计算OBS体制下的业务源端到目的端传输延迟，若满足业务要求，则选用OBS体制进行接入；若所有业务的要求均无法得到满足，则对重要性最高的业务采用OFS体制接入。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：OBS体制下的光链路信道利用率
Figure FDA0002843968740000011
业务源端到目的端的传输延迟Ts具体计算公式如下：
Figure FDA0002843968740000012
上述，
Figure FDA0002843968740000013
为源节点到目的节点光交换链路中第j跳输出波长i上的业务到达率；Tp为BCP的处理延迟，Tr是单跳传输延迟；业务源端到目的端传输共需要N跳光突发交换，ps为源端到目的端成功传输的概率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：OFS体制的光链路的信道利用率为
Figure FDA0002843968740000021
业务源端到目的端的传输延迟T′s的公式如下：
T′s＝2N(Tp+Tr)+NTr
式中，相邻卫星节点间的光信号传输时延为Tr，控制分组经过节点电域处理所用时间为Tp，通信业务持续时间为TD，源端到目的端传输共需要N跳，通信业务的速率为SD，光链路传输带宽为ST。
4.一种适用于卫星光交换网络的业务接入系统，其特征在于：包括OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元、OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元、业务接入体制选择单元和迭代计算单元；
OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元，根据OBS光交换体制下业务通信特点，计算采用OBS体制接入业务时的光链路信道利用率
Figure FDA0002843968740000022
以及业务源端到目的端的传输延迟Ts；
OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元，根据OFS光交换体制下业务通信特点，计算采用OFS体制接入业务时的光链路信道利用率η以及业务源端到目的端的传输延迟T′s；
业务接入体制选择单元，在光链路不存在复用的情况下，若业务带宽超过以OBS体制接入时端到端延迟为有限的最大值时，则选择OFS光交换体制接入；否则调用OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元、OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元分别计算两种体制下的光链路信道利用率和业务源端到目的端的传输延迟；选择延迟低的接入方式；在光链路存在复用的情况下，调用OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元计算业务源端到目的端的传输延迟，若能满足所有业务的要求，则采用OBS接入方式，若不能满足所有业务要求则调用迭代计算单元；
迭代计算单元，从重要程度最低的业务开始，按照重要程度由低到高的次序依次去掉一个业务，调用OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元计算业务源端到目的端的传输延迟，若满足，则将剩余业务采用OBS体制进行接入；若所有业务的要求均无法得到满足，则将重要性最高的业务采用OFS体制接入。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的OBS体制接入的业务端到端延迟计算单元通过下述方式实现：
首先，根据光网络拓扑和业务分部情况计算源节点到目的节点光交换链路中第j跳输出波长i上的业务到达率
Figure FDA0002843968740000031
然后，根据上述业务到达率
Figure FDA0002843968740000032
计算输出波长上光突发无碰撞概率
Figure FDA0002843968740000033
以及光链路信道利用率
Figure FDA0002843968740000034
进而确定源端到目的端成功传输的概率
Figure FDA0002843968740000035
最后，根据上述计算的概率ps确定业务源端到目的端的传输延迟Ts；
N为接入到卫星光交换网络的业务从源端到目的端的传输跳数。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于：所述的业务源端到目的端的传输延迟Ts具体计算公式如下：
Figure FDA0002843968740000036
上述NTp为BCP的处理延迟，NTr是传输延迟；业务源端到目的端传输共需要N跳光突发交换，ps为源端到目的端成功传输的概率。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元确定的光链路的信道利用率为
Figure FDA0002843968740000037
式中，相邻卫星节点间的光信号传输时延为Tr，控制分组经过节点电域处理所用时间为Tp，通信业务持续时间为TD，源端到目的端传输共需要N跳，通信业务的速率为SD，光链路传输带宽为ST。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的OFS体制接入的业务端到端延迟计算单元确定业务源端到目的端的传输延迟T′s的公式如下：
T′s＝2N(Tp+Tr)+NTr；
其中，N为接入到卫星光交换网络的业务从源端到目的端的传输跳数，相邻卫星节点间的光信号传输时延为Tr，控制分组经过节点电域处理所用时间为Tp。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：以OBS体制接入时端到端延迟为有限时所能支持业务带宽的最大值为光链路带宽的36.8％。
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