CN110035336B - 一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法，属于数据通信与光通信技术领域。本发明所述的方法通过在节点中配置频谱转化器来降低阻塞率和减少多芯光纤中的芯间串扰。在配置频谱转化器阶段，考虑在网络中稀疏配置频谱转换器，按照网络中各节点的中介中心性对其降序排列，根据给定的比例θ选择排名前θ的节点配置频谱转换器；在路由阶段，综合考虑传输路径的负载及其频谱转换能力，设计路径权重公式为业务选择K条候选传输路径；在纤芯、频谱分配阶段，采用了纤芯分组和频谱分区的方法，并设计分配公式用来降低串扰的影响；最后，对业务所受串扰进行评估，对串扰较大、超过串扰阈值的业务利用频谱转换进行优化。

Description

一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法

技术领域

本发明属于数据通信与光通信技术领域，涉及一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法。

背景技术

网络流量的爆炸式增长、如高清视频、增强现实/虚拟现实、云服务等新兴业务的快速发展使得传输带宽资源有限的通信骨干网面临严峻的挑战。光网络因其传输容量大、传输距离远等优点备受运营商青睐。WDM(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术已在光网络中应用多年，其遵循国际电信联盟标准化部门(InternationalTelecommunication Union Telecommunication Standardization Sector,ITU-T)将C波段的频谱资源划分为多个50GHz或100GHz的信道，在分配资源时为业务分配整个信道，也就是说，当网络中存在带宽大小低于50GHz的业务时会产生频谱资源浪费的现象。因此，受限于WDM光网络分配粒度粗、频谱分配僵化的缺点，其难以满足未来多粒度、大带宽网络的发展需求。为克服基于WDM技术光网络的缺点，可灵活分配频谱的弹性光网络(ElasticOptical Networks,EONs)应运而生。与WDM光网络相比，弹性光网络将频谱资源划分为多个12.5GHz或6.25GHz的频隙(Frequency Slot,FS)，更细的分配粒度大大提高了频谱分配的灵活性，减少了频谱资源浪费，并且弹性光网络中业务调制方式可变，采用高等级调制格式使频隙的传输容量倍增，提高了资源利用率。

尽管弹性光网络灵活栅格的分配方式大大提高了频谱资源的利用率，降低了固定栅格导致的资源浪费，使现有的带宽资源可以服务更多业务。然而，社交网络、实时游戏以及其他大带宽IP业务对网络传输容量提出了更高的要求，目前在电力通信光网络中广泛使用的单模光纤的物理容量很快将被耗尽。

空分复用技术被视为克服当前容量瓶颈的有效手段。空分复用弹性光网络(SpaceDivision Multiplexing,SDM-EONs)将空分复用技术与弹性光网络相结合，使网络的传输容量得到了巨大的提升。诸多空分复用技术中，多芯光纤因传输距离远、扩容效果好、实现成本低成为了实现空分复用弹性光网络最为流行的方式。

路由频谱纤芯分配(Routing,Spectrum and Core Assignment,RSCA)是SDM-EONs中的关键问题，在引入空间维度之后，SDM-EONs中的纤芯交换在减轻频谱一致性约束的同时也使资源分配问题变得更为复杂。另外，SDM-EONs中，业务在相邻纤芯传输时若存在频谱重叠的现象，则光信号的功率将会泄露至相邻的纤芯，造成芯间串扰(inter-corecrosstalk,XT)，干扰信号的传输，并且这种干扰会随着传输距离的上升加剧，从而严重影响信号的传输质量。因此，设计有效的可降低串扰的RSCA方法对提升空分复用弹性光网络来说十分必要。

考虑芯间串扰的RSCA或是将串扰阈值作为判决条件严格检查，或是在为业务分配资源时尽量回避分配在相邻纤芯上、在不满足串扰阈值条件时仅考虑降低调制格式，少有关于在不满足串扰阈值条件时利用其他方式优化阻塞率性能的研究。

在节点配置频谱转换器可放宽频谱分配时的一致性约束，通过将转换业务的承载频隙转换到被相邻纤芯占用少的频隙来优化串扰。但是权衡使所有网络中节点均具有频谱转换能力导致的附加成本与网络全配置方式带来的阻塞率改善，从网络和节点设计的角度来说这种网络全配置频谱转换器的方式成本效益并不高。

在网络中进行频谱转换器稀疏配置是一种有效的节约成本的方式，但若要采用稀疏配置的方式，网络拓扑中具有频谱转换能力节点的选取又将成为一大难题。显然地，将频谱转换器配置在网络瓶颈节点可以更好地改善阻塞率性能，但是现有的衡量节点重要性的方法或是直接按照节点度数排序，或是按照节点负载进行排序，前者存在边缘节点度数也可能较高的现象，不够客观，后者在网络中有业务传输时才可进行判定，不适用于节点的器件配置。

综上，如何合理选出配置频谱转换器的节点以降低成本、如何选出合理的路径传输业务以提高成功传输概率、如何在业务传输时更合理地为其分配资源以避免串扰是路由频谱纤芯分配的重要考量因素。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法，在降低串扰的同时均衡网络负载、更好地利用网络中已配置的频谱转换器，降低带宽阻塞率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法，所述方法综合考虑光节点的频谱转换能力和业务所受芯间串扰，该方法包括以下步骤：

S1：根据节点中介中心性计算公式计算网络拓扑中各节点的中介中心性，确定网络中配置频谱转换器的节点；

S2：根据路径权重公式为业务找出K条最大权重传输路径，K值的大小与网络连通度有关，一般取K＝3；

S3：在找出的路径上为业务进行纤芯、频谱分配，根据设计的纤芯频谱分配成本公式计算每一种分配方式的成本，选择成本最低的分配方式为业务分配纤芯、频谱资源；

S4：计算业务传输时的芯间串扰，若不满足串扰阈值条件，则通过降低调制等级或频谱转换的方法降低串扰。

进一步，所述S1具体方法为：

S101：按节点中介中心性公式计算网络中各节点的中介中心性，并根据该值对节点降序排序；

节点中介中心性计算公式：

在节点中介中心性计算公式中，i表示非源目的节点的中间节点，s、t分别表示源目的节点，N_V表示网络中的节点数目，g_i表示通过节点i的最短路径数目，

表示s-t间最短路径总数；

S102：确定网络中SC⁺节点的数量以及位置，选取节点中介中心性排名前

的节点作为SC⁺节点。其中，θ∈(0,1)表示SC⁺节点的选取比例，N_V表示网络中节点总数。

进一步，所述S2具体方法为：

S2：根据如下所示路径权重公式为每一个业务选择K条最大权重的路径作为候选传输路径，这些路径即为综合考虑路径负载和频谱转换器能力的路径。

路径权重公式：

在上面的路径权重公式中，l_i表示路径p上的链路，N_c表示所用MCF的纤芯数，N_fs表示每纤芯的频隙数，c_j表示纤芯索引号，x表示频隙索引号，

为布尔变量，表示链路l_i上纤芯c_j的第x个频隙的占用情况，已被占用则

为0，否则为1。

表示链路l_i除目的节点外的尾节点剩余的转换器数目，

表示链路l_i尾节点配置的转换器总数，此处分母加一是为了避免非SC⁺节点中频谱转换器总数为0造成计算错误。分子中α为权重因子，用来降低瓶颈节点被选择的频率。分母中

表示经过链路l_i的最短路径的数目，hop_p表示路径的跳数。分母所示的表达式有两个目的，一是为了避免瓶颈链路的产生；二是多跳路径中可能存在多个SC⁺节点，可能会因可用频谱转换器数目多造成其权重过高，导致不必要的绕路，该表达式可以避免这种绕路现象。

进一步，所述S3具体方法为：

S301：基于顶点着色的思想对纤芯进行分组，即将不相邻的纤芯划分为一组。同时，为了进一步降低芯间串扰的影响，将频谱进行分区，分区数与纤芯的分组数相等，每个分区中频隙数相等；

S302：完成纤芯分组和频谱分区之后，根据下示频谱区域分配成本公式计算在路径p_i的链路l_i上为业务分配纤芯c_j频谱区域s中f个频隙的成本；

频谱区域分配成本公式：

该式中，u_c,s表示纤芯c中频谱区域s的负载。

S303：计算出频谱区域分配成本后，根据公式计算链路l_i的分配成本，即该链路上频谱区域分配成本的最小值；

链路分配成本公式：

S304：根据路径分配成本计算公式，对传输路径上每条链路的分配成本求和，得到路径分配成本；

路径分配成本公式：

S305：重复S302-S304，找到路径分配成本最小的分配方式，即W^p值最小的分配方式，按照该分配方式为业务分配纤芯和频隙。

进一步，所述S4具体方法为：

S401：比较路径分配成本W^p和路径跳数hop_p，若

则判定业务所受串扰较轻，可以成功传输，否则，根据串扰计算公式计算业务所受串扰，检查是否满足串扰阈值条件，满足则直接传输，否则通过S402所述方法优化串扰；

串扰计算公式：

三个公式中，h表示单位传输长度的XT增量，式中k，r，β，w_th分别表示耦合系数、弯曲半径、传播常数以及沟槽宽度。

表示一根纤芯c和其相邻、并且占用频隙存在部分重叠或完全重叠的纤芯c_a间的串扰，式中L表示光纤传输长度。XT_c为业务在纤芯c上传输所受总串扰。

S402：检查业务的传输路径中是否存在可以进行频谱转换的SC⁺节点，若有SC⁺节点，则在该节点进行频谱转换，将业务的承载频谱转换到被相邻纤芯占用更少的频谱上，即通过降低c_a的数量来降低串扰。若传输路径中存在多个SC⁺节点，则根据下述节点排名公式为这些节点排名，选择在rank(v)值较大的节点处进行频谱转换。

SC⁺节点排名公式：

本发明的有益效果在于：

本发明针对SDM-EON中芯间串扰导致信号传输受损的问题，提供了一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法。首先，为了降低网络器件成本，在网络节点配置阶段提出以节点的中介中心性为衡量指标，在网络中稀疏配置可频谱转换的SC⁺节点，并在选路时依据公式选出兼顾传输距离、路径负载以及节点频谱转换能力的路径；其次，在纤芯频谱分配时采用了纤芯分组和频谱分区的方法，同时提出分配成本公式以进一步降低串扰的影响；最后，对业务所受串扰进行评估，利用频谱转换对受串扰负面影响较大的业务进行传输优化。本发明综合考虑降低串扰与优化串扰两个方面，并且采用稀疏配置的方式降低网络中交换节点成本，可降低业务的阻塞率、提高网络的资源利用率，并且与网络全配置频谱转换器的方式相比所需额外成本较低，具有良好的成本效益。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附录进行说明：

附图1为选路示意图；

附图2为纤芯分组与频谱分区示意图；

附图3为纤芯频谱分配成本计算示例图；

附图4为频谱转化器优化串扰示意图；

附图5为空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法流程图；

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

附图1所示为选路示意图。该网络为6节点小型网络，首先根据式(1)决定配置频谱转换器的节点。

式(1)中，i表示非源目的节点的中间节点，s、t分别表示源目的节点，N_V表示网络中的节点数目，g_i表示通过节点i的最短路径数目，

表示s-t间最短路径总数。假设取θ＝0.2，

即选取节点2、3作为SC⁺节点配置频谱转换器，附图1中用着色的方式将其标出。公式中取α＝0.1，链路边括号内的数字分别表示经过该链路的最短路径数目和链路负载，SC⁺节点边括号内的数字分别表示可用的频谱转化器数目以及总的频谱转换器数目。假设网络中新到达一个源目的节点为(1,6)的业务，根据公式(2)计算出三条最大权重路径，分别为1→6、1→3→5→6以及1→2→4→6，路径权重分别为0.6、0.295、0.291。路径的权重值表示业务被成功传输的概率越高。

式(2)中，l_i表示路径p上的链路，N_c表示所用MCF的纤芯数，N_fs表示每纤芯的频隙数，c_j表示纤芯索引号，x表示频隙索引号，

为布尔变量，表示链路l_i上纤芯c_j的第x个频隙的占用情况，已被占用则为0否则为1。

表示链路l_i下端节点(除目的节点外)剩余的转换器数目，

表示链路l_i下端节点配置的转换器总数，此处分母加一是为了避免非SC⁺节点中频谱转换器总数为0造成计算错误。分子中α为权重因子，用来降低瓶颈节点被选择的频率。分母中

表示经过链路l_i的最短路径的数目，hop_p表示路径的跳数。

选路完成后进入纤芯频谱分配阶段。本发明采用了纤芯分组和频谱分组的方法。附图2显示了7芯光纤的纤芯分组和频谱分区结果，7芯光纤中可将纤芯分为3组，1、3、5为1组，2、4、6为1组，纤芯7为1组。根据分组情况，将频谱划分为如图2所示的3个区域，分组编号为1的纤芯优先为业务分配频谱分区S₁的频隙，分组编号为2、3的纤芯优先为业务分配S₂、S₃的频隙。图中箭头表示每个频谱分区的频谱块搜索、分配方向，S₁、S₂从索引值小的频隙开始搜索，S₃从按照频隙索引值从大到小的顺序进行搜索，这种方式是为了进一步降低频谱重叠的概率。

完成纤芯分组和频谱分区之后，需根据公式(3)-(5)计算路径中纤芯频谱分配的成本W^p。

式(3)中，u_c,s表示纤芯c中频谱区域s的负载。链路l_i上纤芯频谱分配的最终成本以及整条路径p的纤芯频谱分配成本的计算过程分别由公式(4)和公式(5)表示，首先由公式(5)计算出链路l_i上纤芯频谱分配的最终成本

即取式(4)计算结果的最小值，其后对每条链路求和就可得到纤芯频谱分配成本W^p。

附图3显示了纤芯频谱分配的一个示例。假设每纤芯可用频隙数为12，网络中频谱占用情况如附图所示。现到达一个请求2个频隙的新业务，检查每频谱分区可用频谱块，根据传输路径找出可用于传输业务的频谱块。以频谱分区1为例，可用的频谱块为{[1,2],[2,3],[3,4]}，其分配成本如表1所示，表中无穷大符号∞表示无法分配。从表中可看出，选择频谱块[3,4]承载业务分配成本最低，链路l₁、链路l₂上最低分配成本均等于0.5，最终分配成本为

同理，可计算出频谱区域2、3的分配成本，最低成本分别为选择频谱块[5,6]时的W^P＝1和选择频谱块[11,12]时的W^P＝2。根据计算结果，选择将链路l₁中纤芯3、链路l₂中纤芯3的第3、4号频隙分配给业务。

表1纤芯频谱分配成本计算结果

在完成纤芯、频谱的分配后，NSCC-XT-RSCA将根据纤芯频谱的分配成本对业务传输所受的XT进行评估。首先，比较W^p和路径跳数hop_p，若

则判定业务所受串扰较轻，可以成功传输，否则，根据公式(6)-(8)进行XT的计算进行进一步的判定。

式(6)中，h表示单位传输长度的XT增量，式中k，r，β，w_th分别表示多芯光纤的耦合系数、弯曲半径、传播常数以及沟槽宽度。式(7)中，

表示一根纤芯c和其相邻、并且占用频隙存在部分重叠或完全重叠的纤芯c_a间的串扰，式中L表示光纤传输长度。式(8)中，XT_c为业务在纤芯c上传输所受总串扰。公式中k，r，β，w_th以及不同调制格式下串扰阈值的取值如表2所示。

表2多芯光纤芯间串扰参数

若XT满足串扰阈值条件，则业务成功传输，否则检查所选路径中是否存在中间节点为SC⁺节点，并且检查在该SC⁺节点上是否可以进行频谱转换以及转换后的频谱是否满足降低串扰的条件，若条件都满足，则在该SC⁺节点上进行频谱转换以优化XT。

附图4给出了频谱转换器优化串扰的一个示例。如附图所示，网络中新到达一个占用2频隙的业务，源目的节点分别为1、3，并将频隙[1,2]分配给该业务。若路径上该业务的承载纤芯皆为2号纤芯，此时2号纤芯的相邻纤芯1、3、7中的1、3号纤芯频隙[1,2]皆已被占用，与新业务占用的频隙发生频谱重叠，此时业务的总串扰如图中XT_before所示。若此时的总串扰XT_before不满足串扰阈值，而节点2又为SC⁺节点，可进行频谱转换，则检查是否存在满足业务带宽大小、且可降低串扰的频谱块。假设在节点2进行频谱转换，将链路l₂中业务的承载频隙从[1,2]转换为[9,10]，此时链路l₂中对业务造成串扰的纤芯仅为纤芯7，与转换前相比降低了造成串扰的纤芯的数量，此时业务串扰如图中XT_after所示，于频谱转换前相比降低了串扰。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法，所述方法综合考虑光节点的频谱转换能力和业务所受芯间串扰，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：根据节点中介中心性计算公式计算网络拓扑中各节点的中介中心性，确定网络中配置频谱转换器的节点，本方法将这些节点称为SC⁺节点；

进一步，所述S1具体方法为：

S101：按节点中介中心性公式计算网络中各节点的中介中心性，并根据该值对节点降序排序；

节点中介中心性计算公式：

在节点中介中心性计算公式中，v_i表示非源目的节点的中间节点，v_s、v_t分别表示源目的节点，N_V表示网络中的节点总数，V表示网络的节点集合，g_i(v_s,v_t)表示通过节点v_i的从源节点v_s到目的节点v_t的最短路径数目，

表示s-t间最短路径总数；

S102：确定网络中SC⁺节点的数量以及位置，选取节点中介中心性排名前

的节点作为SC⁺节点，其中，θ∈(0,1)表示SC⁺节点的选取比例，N_V表示网络中节点总数；

S2：根据路径权重公式为业务找出K条最大权重传输路径，K值的大小与网络连通度有关；

进一步，所述S2具体方法为：

其中，路径权重公式为：

路径权重公式：

在上面的路径权重公式中，l_i表示路径p上的链路，N_c表示所用MCF的纤芯集合，|N_c|表示MCF的纤芯数，N_fs表示纤芯的频隙集合，|N_fs|表示纤芯的频隙数，c_j表示纤芯索引号，x表示频隙索引号，

为布尔变量，表示链路l_i上纤芯c_j的第x个频隙的占用情况，已被占用则

为0，否则为1；

表示链路l_i除目的节点外的尾节点剩余的转换器数目，

表示链路l_i尾节点配置的转换器总数，此处分母加一是为了避免非SC⁺节点中频谱转换器总数为0造成计算错误；分子中α为权重因子，用来降低瓶颈节点被选择的频率；分母中

表示经过链路l_i的最短路径的数目，hop_p表示路径的跳数；

S3：在找出的路径上为业务进行纤芯、频谱分配，根据设计的纤芯频谱分配成本公式计算其分配方式的成本，选择成本最低的分配方式为其分配纤芯频谱资源；

其中，纤芯频谱区域分配成本公式：

上式中，u_c,s表示纤芯c中频谱区域s的负载，l_i表示光纤链路i，f为频谱区域s的频隙索引起始编号；

S4：计算业务传输时的芯间串扰，若不满足串扰阈值条件，则通过降低调制等级或频谱转换的方法降低串扰。

2.如权利要求1所述的一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法，所述方法综合考虑光节点的频谱转换能力和业务所受芯间串扰，其特征在于：所述S3具体方法为：

S301：基于顶点着色的思想对纤芯进行分组，将不相邻的纤芯划分为一组；同时，为了进一步降低芯间串扰的影响，将频谱进行分区，分区数与纤芯的分组数相等，每个分区中频隙数相等；

S302：完成纤芯分组和频谱分区之后，根据纤芯频谱分配成本公式计算业务的传输路径上每一条链路的每一根纤芯中各频谱区域的分配成本；

其中，纤芯频谱区域分配成本公式：

S303：计算出频谱区域分配成本后，根据链路分配成本公式计算链路的分配成本，并选择该链路上频谱区域分配成本的最小值；

其中，链路分配成本公式：

这里，p表示路径，c_j表示链路l_i的纤芯j，S为频谱区域集合；

S304：根据路径成本公式，对传输路径上每条链路的分配成本求和，得到路径分配成本；

其中，路径分配成本公式：

S305：重复S302-S304，找到路径分配成本最小的分配方式，按照该分配方式为业务分配纤芯和频隙。

3.如权利要求1所述的一种空分复用弹性光网络的路由纤芯频谱分配方法，所述方法综合考虑光节点的频谱转换能力和业务所受芯间串扰，其特征在于：所述S4具体方法为：

S401：比较路径分配成本和路径跳数，若路径分配成本小于等于路径跳数，则判定业务所受串扰较轻，可以成功传输，否则，根据串扰计算公式计算业务所受串扰，检查是否满足串扰阈值条件，满足则直接传输，否则通过S402所述方法优化串扰；

其中，

串扰计算公式：

三个公式中，h表示单位传输长度的XT增量，式中k，r，β，w_th分别表示耦合系数、弯曲半径、传播常数以及沟槽宽度，

表示一根纤芯c和其相邻、并且占用频隙存在部分重叠或完全重叠的纤芯c_a间的串扰，式中L表示光纤传输长度，XT_c为业务在纤芯c上传输所受总串扰；

S402：检查业务的传输路径中是否存在可以进行频谱转换的节点，若有可进行频谱转换的节点，则在该节点进行频谱转换，将业务的承载频谱转换到被相邻纤芯占用更少的频谱上；若传输路径中存在多个可进行频谱转换的节点，则根据节点排名公式为这些节点进行降序排名，选择在名次靠前的节点处进行频谱转换，完成串扰的优化；

其中，节点排名公式：

上式中，v为节点，

表示该节点可用SC数目，SC为频谱转换器，N_sc表示该节点SC总数，XT_after表示优化后的业务串扰，XT_before表示频谱转换前业务所受串扰，XT_th为串扰阈值。

Images