CN110177311B - 一种基于多目标优化的多波长分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多目标优化的多波长分配方法，包括步骤：S1、根据输入信息获取应用节点对应的环形网络节点的通信路径信息；S2、根据通信路径长度l和通信量volume更新通信路径信息中所有路径信息的记录顺序，构成通信集合R；S3、根据通信集合R中的通信在执行过程中的路径重叠关系获取通信请求间的串扰关系矩阵Cros_matrix；S4、根据通信量volume和串扰关系矩阵Cros_matrix利用预设算法获取每条通信路径的第一波长分配方案及所述第一波长分配方案对应的SNR和T的值。该分配方法同时考虑了串扰噪声对不同长度通信路径的影响和通信量对时延性能的影响，可以在保障时延性能的同时减小串扰噪声，实现通信时延以及SNR性能的均衡优化，提升信息传输的可靠性。

Description

一种基于多目标优化的多波长分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于多目标优化的多波长分配方法。

背景技术

光片上网络因波分复用(Wavelength Division Multiplexing，简称WDM)技术的使用可以实现波导共享，增加带宽利用率，降低时延。然而，由于硅光子器件中信号的不利耦合，在相邻波长信道上同时传输的光信号可能在网络的不同光交换单元中引入串扰噪声。在网络级积累的串扰噪声，严重降低网络的信噪比(Signal-Noise Ratio，简称SNR)性能，影响网络通信的可靠性。

2013年Ke Chen等人在其发表的论文“Wavelength Assignment in OpticalNetwork-on-Chip:Design and Performance”中提出基于源节点和基于目的节点的波长分配方法。该方法让每个源节点只发送一种固定波长的信号，可接收多个来自不同源节点发送的不同波长的数据信号；或者让每个目的节点只接收一种固定波长的信号，可向多个目的节点发送不同波长的信号。固定的波长分配方式在实现中不需要额外的仲裁，可以降低网络的通信时延，但在实际通信过程中也分别存在源节点竞争、目的节点竞争的问题。

2015年Xiaolu Wang等人在其发表的论文“RPNoC:A Ring-Based Packet-Switched Optical Network-on-Chip”中针对环形拓扑提出基于通信节点对的波长分配方法。该方法根据RPNoC拓扑中节点之间跳数的不同，为通信节点对分配波长，让不同节点之间可以通过不同波长共享波导同时进行通信，通过增加通信的并行性，提高了网络的吞吐量，降低了网络时延。然而通信并行性的增加也在各个光交换单元中引入了更多的串扰噪声，降低了SNR性能。

2016年Jiating Luo等人在其发表的论文“Wavelength spacing optimizationto reduce crosstalk in WDM 3D ONoC”中提出通过优化波长间距的方式降低串扰。该方法在利用启发式算法进行波长分配的过程中主要考虑增大重叠波长之间的间距，以降低串扰，提升SNR性能。但该方法在实现过程中只考虑每对通信使用一个波长的情况，未能充分利用波长资源提升网络的时延性能。

综上所述，现有的光片上网络中的波长分配方法主要采用固定式波长分配策略，即通过为给定节点或通信节点对分配固定通信波长的方式降低通信的阻塞率，以减少网络的通信时延，或者在为通信对分配波长过程中通过增加相邻波长的间距以降低串扰。但是这些固定式波长分配策略不能根据具体应用的通信特征对应用的通信时延以及SNR性能进行均衡优化。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于多目标优化的多波长分配方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于多目标优化的多波长分配方法，包括步骤：

S1、根据输入信息获取应用节点对应的环形网络节点的通信路径信息，其中，所述通信路径信息包括：通信路径的源节点位置编号R_source、目的节点位置编号R_destination、通信路径长度l和通信量volume；

S2、根据所述通信路径长度l和所述通信量volume更新所述通信路径信息中所有路径信息的记录顺序，构成通信集合R；

S3、根据所述通信集合R中的通信在执行过程中的路径重叠关系获取通信请求间的串扰关系矩阵Cros_matrix；

S4、根据所述通信量volume和所述串扰关系矩阵Cros_matrix，利用预设算法获取每条通信路径的第一波长分配方案及所述第一波长分配方案对应的SNR和T的值。

在本发明的一个实施例中，步骤S2包括：

将所述通信路径长度l按照长度从高到低的顺序排列，对于所述通信路径长度l相同的路径信息按照所述通信量volume的大小从高到低排列，更新所述通信路径信息中所有路径信息的记录顺序，构成通信集合R＝{R_i，i＝1～N}，其中N为通信路径数，R_i为第i对通信的信息，R_i＝(R_source，R_destination，l，volume)。

在本发明的一个实施例中，所述预设算法为蚁群算法。

在本发明的一个实施例中，步骤S4包括：

S41、初始化所述蚁群算法的迭代信息，所述迭代信息包括：蚂蚁数量为M，初始迭代次数i＝1，最大迭代次数为G，初始信息素为τ₀；

S42、设初始蚂蚁编号m＝1；

S43、初始化已分配完波长但未完成通信的通信集合R_current及未分配波长的等待集合R_wait为空集，并令等待时间T_wait＝0；

S44、设初始通信路径编号k＝1；

S45、根据所述串扰关系矩阵Cros_matrix和所述通信量volume，获取所述通信集合R中当前通信路径R_k的波长集合

所述当前通信路径R_k的通信时长T_{c_k}，并更新所述通信集合R_current；

S46、令k＝k+1，判断是否完成所有通信路径的波长分配；若是，则计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR、T；若否，则返回步骤S45；

S47、判断等待集合R_wait是否非空；若否，则记录波长分配结果；若是，则获取所述等待集合R_wait中通信路径R_j的波长集合

所述通信路径R_j的通信时长T_{c_j}，然后返回计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR、T；

S48、令m＝m+1，判断M只蚂蚁是否已完成各自的分配波长任务；若是，则根据SNR和T的值更新每条通信路径上的信息素；若否，则返回步骤S43；

S49、令i＝i+1，判断当前是否已完成最大迭代次数；若是，则输出所述第一波长分配方案WL_optimal及所述第一分配方案对应的SNR和T的值；若否，则返回步骤S42。

在本发明的一个实施例中，步骤S45包括：

S451、结合所述串扰关系矩阵Cros_matrix和所述通信集合R_current更新可用波长集WL_available；

S452、根据所述通信量volume及所述可用波长集WL_available计算分配给当前通信路径R_k的波长数目n_k；

S453、从所述可用波长集WL_available中选取n_k个波长分配给所述当前通信路径R_k并计入波长集合

S454、判断所述波长集合

是否为非空；若是，则更新所述通信集合R_current为R_current＝{R_current，R_k}，并计算所述当前通信路径R_k的通信时长T_{c_k}；若否，则更新所述等待集合R_wait为R_wait＝{R_wait，R_k}。

在本发明的一个实施例中，步骤S451包括：

S4511、根据所述串扰关系矩阵Cros_matrix中的第k行及k列中所有非零元素的位置得出与所述当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合R_overlap；

S4512、利用所述通信集合R_overlap获取当前已分配完波长但未完成通信的且与所述当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合Rc__overlap：

Rc__overlap＝R_current∩R_overlap；

S4513、获取被所述通信集合Rc__overlap中的通信占用的波长集合WL_occupied：

其中，

表示表示通信R_i使用的波长集合，WL_occupied表示通信集合Rc__overlap中所有通信使用的波长集合，unique表示去掉集合中的重复元素；

S4514、计算所述可用波长集WL_available＝WL_total–WL_occupied，其中WL_total为总波长资源集合。

在本发明的一个实施例中，步骤S452包括：

S4521、根据所述等待集合R_wait及所述通信集合R_overlap获取待分配波长的且与所述当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合Rw__overlap：

Rw__overlap＝R_wait∩R_overlap

S4522、计算所述当前通信路径R_k的通信量volume_k相对通信集合Rw__overlap中所有通信量的占比p：

其中，R_k为当前通信路径，volume_k为当前通信路径的通信量，R_i为通信集合Rw__overlap中第i条通信路径，volume_i为第i条通信路径的通信量；

S4523、结合所述占比p及所述可用波长集WL_available中的当前可用波长数目N_a，计算分配给当前通信路径R_k的相对理想波长数目n_ideal__k：

其中，N_a表示可用波长集WL_available中当前可用波长数目，N_a＝|WL_available|，N_wl＝|WL_total|表示总波长资源集合WL_total中的波长数目。

S4524、结合所述蚁群算法的选择概率确定分配给所述当前通信路径R_k的波长数目n_k。

在本发明的一个实施例中，步骤S453包括：

根据为所述当前通信路径R_k分配的n_k个波长之间的间距以及n_k个波长中每个波长与所述波长集合WL_occupied中每个波长之间的间距，从所述可用波长集WL_available中选取n_k个波长分配给所述当前通信路径R_k并计入所述波长集合

在本发明的一个实施例中，计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR、T，包括：

S461、计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR；

S462、计算所述通信集合R_current中每对通信的总通信时长T，其中，针对通信集合R_current中的通信R_i，其总通信时长为：

T_i＝T_{p_i}+T_{wait_i}+T_{c_i}

其中，T_{p_i}为通信开始之前的任务处理时长；T_{wait_i}为波长分配成功前的等待时长；T_{c_i}为完成波长分配后的通信时长。

在本发明的一个实施例中，获取所述等待集合R_wait中通信路径R_j的波长集合

所述通信路径R_j的通信时时长T_c__j，包括：

S471、计算所述等待集合R_wait中通信路径R_j的第一等待时长T_wait，根据所述第一等待时长T_wait获取待结束通信集合R_leave，并更新所述通信集合R_current为R_current＝R_current-R_leave，并更新所述可用波长集WL_available；

S472、根据所述通信量volume及更新后的所述可用波长集WL_available计算分配给所述等待集合R_wait中所述通信路径R_j的波长数目n_j；

S473、从更新后的所述可用波长集WL_available中选取n_j个波长分配给所述通信路径R_j，并计入所述波长集合

S474、判断所述波长集合

是否为非空；若是，则计算所述通信路径R_j的通信时长T_{c_j}，并更新所述通信集合R_current为R_current＝{R_current，R_j}，并更新所述等待集合R_wait为R_wait＝R_wait-R_j；若否，则返回步骤S471。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明根据通信路径长度和通信量将所有路径信息进行重新排序，同时考虑了串扰噪声对不同长度通信路径的影响和通信量对时延性能的影响，可以在保障时延性能的同时减小串扰噪声，实现通信时延以及SNR性能的均衡优化，提升信息传输的可靠性。

2、本发明的分配方法考虑了通信对之间的串扰影响关系，在波长分配的过程中根据串扰影响关系为每条通信路径分配合适的波长数目及间距合适的波长，可以在保障时延性能下减小串扰噪声，提升网络的信噪比性能。

3、本发明的波长分配方法采用具有“正反馈”特性的蚁群算法获取最优波长分配方案，在波长数目分配过程中综合考虑了目标通信与其他通信之间的串扰影响关系及该目标通信本身通信量的大小，在波长分配过程中以更大概率为大通信量分配更多数目的波长，同时均衡有串扰影响关系的通信之间的波长数目，增大串扰通信之间光信号的波长间距，从而降低了通信时延又减小了接收到的串扰噪声，提升了通信的时延性能，提高了网络的SNR性能，提升了网络通信的可靠性。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于多目标优化的多波长分配方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种利用蚁群算法执行波长分配并计算相应目标函数的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种当前通信路径R_k的波长分配策略实现的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种当前通信路径R_k的n_k个波长值的选取策略实现的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

针对现有技术中通信时延以及SNR性能无法实现均衡化的技术问题，本实施例的多波长分配方法的技术思路是：通过按通信节点对分配波长的方式，在分配过程中综合考虑分配的波长数目对串扰及通信时间的影响，尽量减少使用的波长数以降低串扰，但又控制波长数不至于太少以保障时延性能。

因此，该分配方法主要包括两个部分：(1)分配波长数目；(2)选取具体波长值。在波长数目的分配过程中，通过分析通信对之间的串扰影响关系(路径重叠情况)，为同时通信的且有路径重叠的通信对分配合理数目的波长以减少串扰、降低通信阻塞，并考虑通信量的大小，为大通信量分配更多的波长以降低通信时延。在波长值的选取过程中，通过选取有较大波长间距的波长来减小串扰噪声。

另外，该分配方法通过具有“正反馈”特性的蚁群算法来辅助更快地寻找到串扰及时延均较低的波长分配方案。

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于多目标优化的多波长分配方法的流程示意图。该制备方法包括步骤：

S1、根据输入信息获取应用节点对应的环形网络节点的通信路径信息；

具体地，输入信息包括：Y个应用节点之间的通信关系矩阵C_YY和将Y个应用节点放置到环形网络中具体位置的对应关系序列Map＝{y₁,y₂,...,y_i,...,y_Y}，y_i表示从应用节点中选出来放在第i个网络节点的应用节点编号，所有y_i均不同，y_i∈{1～Y}，i＝1～Y。

获取得到的环形网络节点的通信路径信息包括：通信路径的源节点位置编号R_source、目的节点位置编号R_destination、通信路径长度l和通信量volume，将第i对通信的信息，记作R_i＝(R_{source_i}，R_{destination_i}，l_i，volume_i)。

其中，通信路径长度l的计算公式如下：

其中，N_oni为环形网络节点的数目。

通信量volume为源-目的节点对R_source-R_destination间传输的信息量大小，可从输入的通信矩阵中读出相应值。

S2、根据所述通信路径长度l和所述通信量volume更新所述通信路径信息中所有路径信息的记录顺序，构成通信集合R。

具体是指将所有通信路径信息根据通信路径长度l的大小和通信量volume的大小进行重新排序。首先，按照通信路径长度l从大到小的顺序将环形网络中所有的通信路径进行顺序排列；在排序过程中若通信路径长度l相同，则按照通信量volume的大小从高到低进行排列。按照上述顺序更新通信路径信息中各路径信息的记录顺序，并将重新排列后的所有路径信息编号为1～N，构成通信集合R＝{R_i，i＝1～N}，其中N为通信路径数。

本实施例对通信路径按长度进行了从大到小的排序，考虑到长路径的信号在传输过程中累积的损耗较大，串扰噪声对其影响严重，在波长分配过程中，优先为长路径分配波长，提高了长路径的信噪比，从而提高了长路径信息传输的可靠性。同时对通信路径按通信量大小进行了从高到低的排序，考虑到通信量大的通信需要的通信时间较长，对时延性能影响较大，在波长分配过程中优先满足大通信量的波长需求，减小通信的传输时长，从而提升网络的时延性能。

S3、根据通信集合R中的通信在执行过程中的路径重叠关系获取通信请求间的串扰关系矩阵Cros_matrix。

根据重新排列后的通信集合R中的通信在执行过程中的路径重叠关系，获取通信请求间的串扰关系矩阵Cros_matrix，记作Cros_matrix＝{C_ij}_N×N，C_ij≠0表示R_i经过R_j的目的节点或者R_i、R_j有相同目的节点，此时可能造成串扰。C_ij的具体取值规则如下：

本实施例的分配方法考虑了通信对之间的串扰影响关系，在波长分配的过程中根据串扰影响关系为每条通信路径分配合适的波长数目及间距合适的波长，可以在保障时延性能下减小串扰噪声，提升网络的信噪比性能。

S4、根据所述通信量volume和所述串扰关系矩阵Cros_matrix，利用预设算法获取每条通信路径的第一波长分配方案及所述第一波长分配方案对应的SNR和T的值。

其中，预设算法可以采用蚁群算法，也可以采用其他算法例如遗传算法，本发明实施例以蚁群算法为例进行说明，但是不限于此。也就是说，在不论哪种算法，只要结合通信量volume和串扰关系矩阵Cros_matrix进行波长分配，均属于本发明的保护范围。

第一波长分配方案是指对每条通信路径获取得到的所有波长分配方案中的最优波长分配方案。

本实施例在利用预设算法进行波长分配时同时考虑目标通信与其他通信之间的串扰关系和该目标通信本身通信量的大小，在波长分配过程中以更大概率为大通信量分配更多数目的波长，同时均衡有串扰影响关系的通信之间的波长数目，增大串扰通信之间光信号的波长间距，从而降低了通信时延又减小了接收到的串扰噪声，实现SNR性能和时延性能的均衡优化。

实施例二

在实施例一的基础上，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种利用蚁群算法执行波长分配并计算相应目标函数的流程示意图。具体地，实施例一中的步骤S4包括：

S41、初始化蚁群算法的迭代信息，迭代信息具体为：设蚂蚁数量为M，初始迭代次数i＝1，最大迭代次数为G，初始信息素为τ₀。

S42、设初始蚂蚁编号m＝1。

S43、初始化已分配完波长但未完成通信的通信集合R_current(也可称作当前存在的通信集合R_current)及待分配波长的等待集合R_wait为空集，等待时间T_wait＝0。

具体地，初始化集合

表示空集。

S44、设初始通信路径编号k＝1。

S45、根据串扰关系矩阵Cros_matrix和通信量volume，获取通信集合R中当前通信路径R_k的波长集合

当前通信路径R_k的通信时长T_{c_k}，并更新所述通信集合R_current。

S46、令k＝k+1，判断是否完成所有通信路径的波长分配，即是否满足k>N(图2中表示为k≤N)；

若是，则计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR、T；其中，每对通信包括当前通信路径与除当前通信路径外的已完成波长分配但未完成通信任务的通信路径。

若否，则返回步骤S45。

具体地，计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR、T，包括以下步骤：

S461、计算通信集合R_current中每对通信的SNR。包括步骤：

针对当前已分配完波长但未完成通信的集合R_current中每对通信计算SNR。

(1)针对通信R_i，计算其使用的波长集合

中每一个波长的信号功率，如波长λ_j的信号功率

计算如下：

式中,

为通信R_i中的信号波长λ_j的输入功率；

为通信R_i中的信号波长λ_j从源节点传输到目的节点的过程中累积的波导传播损耗；

为通信R_i中的信号波长λ_j从源节点传输到目的节点的过程中累积的微环经过损耗；

表示通信R_i中的信号波长λ_j从源节点传输到目的节点的过程中累积的微环耦合损耗。

(2)针对通信R_i，计算其信号波长集

中每一个信号波长遭受的噪声功率，如波长λ_j遭受的噪声功率

计算如下：

式中，

表示其他信号波长λ_k对目标信号波长λ_j产生的噪声功率，λ_k为网络通信中存在的且经过通信R_i的目的节点中微环谐振器

的信号波长，

为接收信号波长λ_j的微环谐振器。

(3)针对通信R_i中每一个信号波长λ_j，利用信号功率

和噪声功率

计算信号波长λ_j的SNR值

即：

(4)从n_i个SNR值

中选出最小的值，将其作为通信R_i的最坏SNR，记为

S462、计算所述通信集合R_current中每对通信的总通信时长T。

针对通信集合R_current中的通信R_i，其总通信时长T_i为：

T_i＝T_{p_i}+T_{wait_i}+T_{c_i}

其中，T_{p_i}为通信开始之前的任务处理时长；T_{wait_i}为波长分配成功前的等待时长；T_{c_i}为完成波长分配后的通信时长。

(1)计算任务处理时长T_{p_i}：

T_{p_i}＝V_i/r_i

其中，V_i为待处理的任务量，r_i为网络节点处理任务的速率。

(2)计算等待时长T_{wait_i}：

根据当前已分配完波长但未完成通信的集合R_current中各个通信所需的最短时长确定，首先计算最短等待时长T_wait如下：

T_wait＝min{T_i，R_i∈R_current}

然后更新通信R_i的等待时长T_{wait_i}为T_{wait_i}＝T_wait，直到为通信R_i成功分配波长才不需更新T_{wait_i}。

(3)计算通信时长T_{c_i}：

T_{c_i}＝volume_i/(B×n_i)

其中，volume_i为通信R_i需传输的通信量，n_i为分配给通信R_i的波长数目，B为每个波长的传输带宽。

S47、判断等待集合R_wait是否非空；

若否，则记录波长分配结果；

若是，则获取等待集合R_wait中通信路径R_j的波长集合

通信路径R_j的通信时长T_{c_j}，然后返回计算通信集合R_current中每对通信的SNR、T。

S48、在记录分配结果之后，令m＝m+1，判断M只蚂蚁是否已完成各自的分配波长任务，即是否满足m>M(图2中表示为m≤M)：若是，则根据SNR和T的值更新每条通信路径上的信息素；若否，则返回步骤S43；

更新的信息素用于在蚁群算法的下一次迭代中影响波长数目的选择，信息素浓度越大对应的波长数目有更高的概率被选取。具体地，根据SNR和T的值更新每条通信路径上的信息素的具体方法为：

(1)计算第i+1次迭代时将n_j个波长分配给通信路径R_k的启发式信息素为τ_kj(i+1)，其计算公式如下：

式中，τ_ij(i)为第i次迭代时将n_j个波长分配给通信路径R_k的启发式信息素；ρ为信息素挥发系数，取值范围为(0,1]；Δτ_kj ^max为找到第一波长分配方案WL_optimal的蚂蚁留下的信息素，Δτ_kj ^max计算如下:

其中，Q是正的常数，

为第一波长分配方案WL_optimal对应的最坏目标函数值，是根据每个波长方案下各对通信的最坏目标函数值得出，

的具体计算如下：

式中，max函数表示从所有通信对的目标函数

中挑出最大值作为最坏目标值；min函数表示从各个波长分配方案对应的最坏目标值中，选出最小的目标函数值作为第一波长分配方案WL_optimal对应的目标函数值；

表示通信R_k的目标函数值，

计算如下：

式中，系数满足α+β＝1；SNR_max、SNR_min分别为N对通信对应的信噪比向量

中的最大值和最小值；T_max、T_min分别为N对通信对应的时间向量T＝{T_k，k＝1～N}中的最大值和最小值；

(2)对信息素τ_kj(i+1)的取值按照如下条件进行设限：

式中，τ_max、τ_min分别为信息素取值的上界和下界；

S49、令i＝i+1，判断当前是否已完成最大迭代次数即i≤G：若是，则输出第一波长分配方案WL_optimal及第一波长分配方案下

对应的SNR和T的值，波长分配结束；若否，则返回步骤S42。

然后记录第一波长分配方案WL_optimal，输出目标函数值SNR、T。

本实施例中，第一波长分配方案WL_optimal即每条通信路径中获取得到的所有波长方案中的最优波长分配方案，该最优波长分配方案包括波长数目和与该波长数目对应的波长值，SNR为第一波长分配方案下

中最大的SNR值，T为第一波长分配方案下

中最小的T值。

本实施例利用具有“正反馈”特性的蚁群智能算法进行波长分配，可以更快地寻找得到串扰和延时均较低的波长分配方案。

实施例三

在实施例二的基础上，请参见图2和图3，图3为本发明实施例提供的一种当前通信路径R_k的波长分配策略实现的流程示意图。

具体地，根据串扰关系矩阵Cros_matrix和通信量volume，获取通信集合R_current中当前通信路径R_k的波长集合

当前通信路径R_k的通信时长T_{c_k}具体包括以下步骤：

S451、结合串扰关系矩阵Cros_matrix和通信集合R_current更新可用波长集WL_available；

S4511、根据串扰关系矩阵Cros_matrix中的第k行及k列中所有非零元素的位置得出与当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合R_overlap。

S4512、利用通信集合R_overlap获取已分配完波长但未完成通信的且与当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合Rc__overlap：

Rc__overlap＝R_current∩R_overlap；

S4513、获取被通信集合Rc__overlap中的通信占用的波长集合，记作WL_occupied:

其中，

表示表示通信R_i使用的波长集合，WL_occupied表示通信集合Rc__overlap中所有通信使用的波长集合，unique表示去掉集合中的重复元素(Matlab中的函数)。

S4514、计算当前可用波长集WL_available＝WL_total–WL_occupied，其中，WL_total为总波长资源集合。

S452、根据通信量volume及可用波长集WL_available中的波长数目，调用Assign波长分配模块计算分配给当前通信路径R_k的波长方案，该波长方案包括波长数目及波长值两部分。

首先，计算分配给当前通信路径的波长数目n_k。

S4521、根据等待集合R_wait及与当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合R_overlap获取待分配波长且与当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合Rw__overlap：

Rw__overlap＝R_wait∩R_overlap

S4522、针对通信集合Rw__overlap，计算当前通信路径R_k的通信量volume_k相对Rw__overlap中所有通信量的占比p：

其中，R_k为当前通信路径，volume_k为当前通信路径R_k的通信量，R_i为通信集合Rw_o_verlap中第i条通信路径，volume_i为第i条通信路径的通信量。

S4523、结合R_k的通信量占比p及当前可用波长数N_a＝|WL_available|，计算分配给当前通信路径R_k的相对理想波长数目n_ideal__k：

其中，N_wl＝|WL_total|表示总波长集WL_total中的波长数目，

用于限制分配的波长数目至多为波长总数的一半取整，以使得在波长值的选取过程中可以选出各波长不相邻的方案。如：波长总数为3时，一对通信至多使用2个波长。

本发明实施例通过限制分配的波长数以增大分配方案中波长的间距，进而达到降低串扰、提升SNR、提高通信可靠性的目的。

S4524、结合蚁群算法的选择概率确定分配给当前通信路径R_k的实际波长数目n_k。

(1)计算当前可用波长数1～N_a中各个波长数目的选择概率：

其中，

表示在蚁群算法的第i次迭代时，蚂蚁m将n_j个波长分配给通信R_k的概率；τ_kj(i)为第i次迭代时将n_j个波长分配给通信R_k的启发式信息素；ηk_j表示将n_j个波长分配给通信R_k的先验启发概率，按如下公式计算：

其中，|n_j-n_{ideal_k}|表示任意波长数目取值n_j与理想波长数目取值n_{ideal_}k之间差值的绝对值。

(2)根据选择概率按轮盘赌方法从1～N_a中选择一个值x(x∈1～N_a)作为分配给通信R_k的波长数目，令n_k＝x。

其次，计算分配给当前通信路径的波长值。

S453、从可用波长集WL_available中选取n_k个波长分配给所述当前通信路径R_k并计入波长集合

综合考虑选取出来分配给当前通信R_k的多个信号波长自身之间的间距，以及选取的波长与其他通信使用的波长之间的间距，具体地，此处其他通信是指通信集合Rc__overlap中的所有通信，即考虑为当前通信路径R_k选取的n_k个波长之间的间距以及选取的波长与波长集合WL_occupied中各个波长的间距；然后根据波长间距最优的原则，从可用波长集WL_available中选取n_k个波长分配给所述当前通信路径R_k。此处的波长最优原则可以理解为：n_k个波长之间的间距、选取的波长与波长集合WL_occupied中各个波长的间距同时达到最优，间距最优可以为间距最大。

具体地，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种当前通信路径R_k的n_k个波长值的选取策略实现的流程示意图，输出n_k个波长值并计入波长集合

具体包括以下步骤：

(1)初始化已选取出来分配给当前通信R_k的波长集WL_{selected_k}为空集

(2)计算WL_available中每个波长λ_j与波长集WL_{selected_k}中各个波长的间距以及波长λ_j与波长集WL_occupied中各个波长的间距。

(3)根据WL_available中每个波长λ_j与波长集WL_{selected_k}及WL_occupied中各个波长的间距，从WL_available中选取与两个集合WL_{selected_k}及WL_occupied中波长的间距均相对较大的波长λ_Xj(λ_Xj∈WL_available)分配给当前通信R_k。

(4)更新波长集WL_available为WL_available＝WL_available-λ_Xj，并更新波长集WL_{selected_k}为WL_{selected_k}＝WL_{selected_k}+λ_Xj。

(5)判断波长集WL_{selected_k}中元素的个数|WL_{selected_k}|是否达到n_k个，即是否已完成n_k个波长值的选取；若是，则令

否则返回步骤(2)。

(6)输出包含n_k个波长值的集合

在为当前通信路径R_k选取波长方案时，一方面，波长数目n_k根据当前通信路径R_k的理想波长数目进行选取，即考虑了通信量的大小；另一方面，波长值的确定根据为当前通信路径R_k分配的n_k个波长之间的间距，以及n_k个波长中每个波长与通信集合WL_occupied中每个波长之间的间距进行选取，即考虑了通信本身的多个波长之间以及通信路径之间的串扰影响关系，从而实现SNR性能和通信时延的均衡优化。

S454、判断波长集合

是否为非空：

若

非空，则更新所述通信集合R_current为R_current＝{R_current，R_k}，即R_current＝R_current+R_k，并计算当前通信路径R_k完成波长分配后的通信时长T_c__k。

具体地，通信时长T_c__k＝volume_k/(B×n_k)，其中volume_k为通信R_k的通信量，n_k为分配给通信R_k的波长数目，B为每个波长的传输带宽。

若

不为非空，则更新等待的集合R_wait＝{R_wait，R_k}，即R_wait＝R_wait+R_k。

本实施例在对通信集合R中的当前通信路径R_k进行波长数目的分配过程中，考虑波长数目对串扰和通信时间的影响，并考虑通信量的大小，为大通信量分配更多的波长以降低通信时延；在波长值的选取过程中，根据波长间的间距选取波长间距较大的波长，以减小串扰噪声。总而言之，在波长分配过程中通过综合考虑串扰影响关系以及通信量，实现了SNR性能和通信时延的均衡优化。

实施例四

在实施例二和实施例三的基础上，请结合参见图2，图2中获取等待集合R_wait中通信路径R_j的波长集合

通信路径R_j的通信时长T_{c_j}具体包括以下步骤：

S471、计算第一等待时长T_wait，根据第一等待时长T_wait获取待结束通信集合R_leave，并更新所述通信集合R_current为R_current＝R_current-R_leave及可用波长集WL_available。其中，R_leave是已分配完波长且将最先完成通信，从R_current中离开的通信路径的集合。

具体地，第一等待时长T_wait是指等待集合R_wait中通信路径R_j的最短等待时长。

首先，第一等待时长T_wait主要由集合R_current中通信的时长决定，计算如下：

T_wait＝min{T_i,R_i∈R_current}

然后，更新R_wait中每对通信R_j的等待时长T_{wait_j}＝T_wait。

接着，找出最先结束的通信，将其从通信集合R_current中移除；即找出通信集合R_current中通信时长等于T_wait的通信，记作R_leave，并更新通信集合R_current为R_current＝R_current-R_leave。

S472、根据通信量volume及更新后的可用波长集WL_available，调用Assign波长分配模块计算分配给等待集合R_wait中通信路径R_j的波长数目n_j；具体计算步骤请参见步骤S452。

S473、根据波长间距值从更新后的可用波长集WL_available中选取n_j个波长分配给通信路径R_j，并计入波长集合

具体计算步骤请参见步骤S453。

S474、判断波长集合

是否为非空：

若是，则计算等待集合R_wait中通信路径R_j的通信时长T_c__j＝volume_j/(B×n_j)，并更新通信集合R_current为R_current＝{R_current，R_j}即R_current＝R_current+R_j以及更新等待集合R_wait为R_wait＝R_wait-R_j；

若否，则返回步骤S471。

本实施例在对等待集合中的通信路径R_j进行波长分配的过程中，综合考虑目标通信与其他通信间的串扰关系和该目标通信的通信量大小，均衡通信之间的串扰大小和时延性能，实现网络通信的可靠性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多目标优化的多波长分配方法，其特征在于，包括步骤：

S1、根据输入信息获取应用节点对应的环形网络节点的通信路径信息，其中，所述通信路径信息包括：通信路径的源节点位置编号R_source、目的节点位置编号R_destination、通信路径长度l和通信量volume，其中，所述输入信息包括Y个应用节点之间的通信关系矩阵C_YY和将Y个应用节点放置到环形网络中具体位置的对应关系序列Map＝{y₁,y₂,...,y_i,...,y_Y}，y_i表示从应用节点中选出来放在第i个网络节点的应用节点编号，y_i∈{1～Y}，i＝1～Y；

S2、按照通信路径长度l从大到小的顺序将环形网络中所有的通信路径进行顺序排列，对于所述通信路径长度l相同的路径信息按照所述通信量volume的大小从高到低排列，更新所述通信路径信息中所有路径信息的记录顺序，构成通信集合R＝{R_i，i＝1～N}，其中，N为通信路径数，R_i为第i对通信的信息，R_i＝(R_source，R_destination，l，volume)；

S3、根据所述通信集合R中的通信在执行过程中的路径重叠关系获取通信请求间的串扰关系矩阵Cros_matrix；

S4、根据所述通信量volume和所述串扰关系矩阵Cros_matrix，利用预设算法获取每条通信路径的第一波长分配方案及所述第一波长分配方案对应的SNR和T的值，其中，SNR为第一波长分配方案下最大的网络信噪比，T为第一波长分配方案下最小的网络通信总时间，所述预设算法包括蚁群算法或者遗传算法。

2.如权利要求1所述的基于多目标优化的多波长分配方法，其特征在于，步骤S4包括：

S41、初始化所述蚁群算法的迭代信息，所述迭代信息包括：蚂蚁数量M，初始迭代次数i＝1，最大迭代次数G，初始信息素τ₀；

S42、设初始蚂蚁编号m＝1；

S43、初始化已分配完波长但未完成通信的通信集合R_current及未分配波长的等待集合R_wait为空集，并令等待时间T_wait＝0；

S44、设初始通信路径编号k＝1；

S45、根据所述串扰关系矩阵Cros_matrix和所述通信量volume，获取所述通信集合R中当前通信路径R_k的波长集合

所述当前通信路径R_k的通信时长T_{c_k}，并更新所述通信集合R_current；

S46、令k＝k+1，判断是否完成所有通信路径的波长分配；若是，则计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR、T；若否，则返回步骤S45；

S47、判断等待集合R_wait是否非空；若否，则记录波长分配结果；若是，则获取所述等待集合R_wait中通信路径R_j的波长集合

所述通信路径R_j的通信时长T_{c_j}，然后返回计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR、T；

S48、令m＝m+1，判断M只蚂蚁是否已完成各自的分配波长任务；若是，则根据SNR和T的值更新每条通信路径上的信息素；若否，则返回步骤S43；

S49、令i＝i+1，判断当前是否已完成最大迭代次数；若是，则输出所述第一波长分配方案WL_optimal及所述第一波长分配方案对应的SNR和T的值；若否，则返回步骤S42。

3.如权利要求2所述的基于多目标优化的多波长分配方法，其特征在于，步骤S45包括：

S451、结合所述串扰关系矩阵Cros_matrix和所述通信集合R_current更新可用波长集WL_available；

S452、根据所述通信量volume及所述可用波长集WL_available中的波长数目计算分配给所述当前通信路径R_k的波长数目n_k；

S453、从所述可用波长集WL_available中选取n_k个波长分配给所述当前通信路径R_k并计入波长集合

其中，λ_Xj表示从可用波长集WL_available中选取的第j个波长，j∈{1～n_k}；

S454、判断所述波长集合

是否为非空；若是，则更新所述通信集合R_current为R_current＝{R_current，R_k}，并计算所述当前通信路径R_k的通信时长T_{c_k}；若否，则更新所述等待集合R_wait为R_wait＝{R_wait，R_k}。

4.如权利要求3所述的基于多目标优化的多波长分配方法，其特征在于，步骤S451包括：

S4511、根据所述串扰关系矩阵Cros_matrix中的第k行及k列中所有非零元素的位置得出与所述当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合R_overlap；

S4512、利用所述通信集合R_overlap获取当前已分配完波长但未完成通信的且与所述当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合Rc__overlap：

Rc__overlap＝R_current∩R_overlap；

S4513、获取被所述通信集合Rc__overlap中的通信占用的波长集合WL_occupied：

其中，

表示通信R_i使用的波长集合，WL_occupied表示通信集合Rc__overlap中所有通信使用的波长集合，unique表示去掉集合中的重复元素；

S4514、计算所述可用波长集WL_available＝WL_total–WL_occupied，其中WL_total为总波长资源集合。

5.如权利要求4所述的基于多目标优化的多波长分配方法，其特征在于，步骤S452包括：

S4521、根据所述等待集合R_wait及所述通信集合R_overlap获取待分配波长的且与所述当前通信路径R_k有串扰影响关系的通信集合Rw__overlap：

Rw__overlap＝R_wait∩R_overlap

S4522、计算所述当前通信路径R_k的通信量volume_k相对所述通信集合Rw__overlap中所有通信量的占比p：

其中，R_k为当前通信路径，volume_k为当前通信路径的通信量，R_i为通信集合Rw__overlap中第i条通信路径，volume_i为第i条通信路径的通信量；

S4523、结合所述占比p及所述可用波长集WL_available中的当前可用波长数目N_a，计算分配给所述当前通信路径R_k的相对理想波长数目n_{ideal_k}：

其中，N_a表示可用波长集WL_available中当前可用波长数目，N_a＝|WL_available|，N_wl＝|WL_total|表示总波长资源集合WL_total中的波长数目；

S4524、结合所述蚁群算法的选择概率确定分配给所述当前通信路径R_k的波长数目n_k。

6.如权利要求4所述的基于多目标优化的多波长分配方法，其特征在于，步骤S453包括：

根据为所述当前通信路径R_k分配的n_k个波长之间的间距以及n_k个波长中每个波长与所述波长集合WLo_ccupied中每个波长之间的间距，从所述可用波长集WL_available中选取n_k个波长分配给所述当前通信路径R_k并计入所述波长集合

7.如权利要求2所述的基于多目标优化的多波长分配方法，其特征在于，计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR、T，包括：

S461、计算所述通信集合R_current中每对通信的SNR；

S462、计算所述通信集合R_current中每对通信的总通信时长T，其中，针对通信集合R_current中的通信R_i，其总通信时长为：

T_i＝T_{p_i}+T_{wait_i}+T_{c_i}

其中，T_{p_i}为通信开始之前的任务处理时长；T_{wait_i}为波长分配成功前的等待时长；T_{c_i}为完成波长分配后的通信时长。

8.如权利要求3所述的基于多目标优化的多波长分配方法，其特征在于，获取所述等待集合R_wait中通信路径R_j的波长集合

所述通信路径R_j的通信时长T_{c_j}，包括：

S471、计算所述等待集合R_wait中通信路径R_j的第一等待时长T_wait，根据所述第一等待时长T_wait获取待结束通信集合R_leave，并更新所述通信集合R_current为R_current＝R_current-R_leave，并更新所述可用波长集WL_available；

S472、根据所述通信量volume及更新后的所述可用波长集WL_available计算分配给所述等待集合R_wait中所述通信路径R_j的波长数目n_j；

S473、从更新后的所述可用波长集WL_available中选取n_j个波长分配给所述通信路径R_j，并计入所述波长集合

其中，λ_Xj表示从更新后的可用波长集WL_available中选取的第j个波长，j∈{1～n_j}；

S474、判断所述波长集合

是否为非空；若是，则计算所述通信路径R_j的通信时长T_{c_j}，并更新所述通信集合R_current为R_current＝{R_current，R_j}，更新所述等待集合R_wait为R_wait＝R_wait-R_j；若否，则返回步骤S471。

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