CN110365589A - 一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法，根据电力通信拓扑，确定各电力通信网节点相互间的路由备选集合；对路由进行着色分类，并确定分配的颜色总数，根据路由节点跳数与频谱颜色总数确定路由备选集合着色情况，降低全网风险均衡度；根据分配的颜色总数以及各颜色分配的路由类数，按照比例的将频谱进行分块；根据即将传输的电力通信业务，综合考虑转接跳数与全网的风险均衡值，从路由备选集合中选取最优解，确定执行业务分配的路由；根据选取的路由与分配的颜色，确定频谱块位置，完成频谱分配。本发明能够达到综合考虑路由与频谱，均衡转接跳数与风险均衡度，提高资源利用率的效果。

Description

一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法

技术领域

本发明涉及电力通信网技术领域，特别是一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法。

背景技术

随着能源互联网的逐步部署与推进，源网荷的互动频率随之加快，电力通信网承载的生产和管理业务将日益增多，高清视频分发和云服务等新型应用方兴未艾。电网信息化业务的增多，导致对带宽的需求增大，而部分主干光缆的纤芯已接近饱和，网络中存在局部光缆纤芯的瓶颈段，无法满足新建通信电路的需求。业务需求的逐步丰富和网络拓扑的日益复杂使得电力通信网络中的负载不均衡问题日益突出，部分核心节点或重要链路承载了大量的业务数据，不仅增加了网络脆弱性，还会产生瓶颈链路，导致较低的资源利用率。

另一方面，电力光缆断裂失效案例屡见不鲜。由于电网业务具有典型的行业特殊性，一旦电力通信网中的光纤断裂失效，将对电力系统的安全生产和稳定运行产生重大影响。因此，有必要对电力通信业务的路由进行优化，以降低电力通信网的运行风险，提高其可靠性和吞吐量。

目前，突发性拥塞不再是业务通信风险的根源，业务过度集中于几条路径是风险的新来源，传统路由算法无法避免这类风险，使其成为电力通信网可用性研究面临的新问题。而业务路由是影响通信风险的重要决定因素，但是现有的路由算法中没有考虑电力通信业务的特殊性，会引起通道段中业务分布不均衡，进一步导致通道段和网络的整体风险增大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法，以解决现有技术中电力通信网风险分布不均以及频谱碎片化现象的问题，达到综合考虑路由与频谱，均衡转接跳数与风险均衡度，提高资源利用率的效果。

本发明采用以下方案实现：一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法，在路由选择计算中，能够根据跳数指标，得到路由备选集合；并根据路由节点跳数与频谱颜色总数，确定路由备选集合着色情况，从而降低全网风险均衡度，并达到更加优良的频谱分配效果。然后，通过计算全网风险均衡度，综合考虑路由节点跳数与全网风险均衡度，从路由备选集合中选取路由，完成频谱分配。

具体包括以下步骤：

根据电力通信拓扑，确定各电力通信网节点相互间的路由备选集合；

对路由进行着色分类，并确定分配的颜色总数，根据路由节点跳数与频谱颜色总数确定路由备选集合着色情况，降低全网风险均衡度；

根据分配的颜色总数以及各颜色分配的路由类数，按照比例的将频谱进行分块；

根据即将传输的电力通信业务，综合考虑转接跳数与全网的风险均衡值，从路由备选集合中选取最优解，确定执行业务分配的路由；

根据选取的路由与分配的颜色，确定频谱块位置，完成频谱分配。

进一步地，所述根据电力通信拓扑，确定各电力通信网节点相互间的路由备选集合具体为：

根据电力通信网拓扑得到无向图G＝(V,E)；其中，V表示电力通信网的点集V＝{v₁,v₂,v₃,...,v_N}，E表示电力通信网的边集E＝{e₁,e₂,e₃,...,e_m}；

根据电力通信网的点集和边集以及下式确定第i条路由的转接跳数CAPEX：

式中，p表示经过的节点数量；

根据路由的转接跳数CAPEX，确定第i个电力通信网节点对的路由备选集合。具体为将转接跳数类比于链路权值指标，即可采用经典的ksp—前k条最短路径算法得到路由备选集合。

进一步地，所述根据路由节点跳数与频谱颜色总数确定路由备选集合着色情况，降低全网风险均衡度具体为：

采用相同链路颜色不同，或者不同链路颜色相同的原则，建立以下目标函数：

Min Q＝CAPEX+N；

式中，N为频谱颜色总数，Q为最优均衡数；

约束条件为：

式中，p表示路由经过的节点数量，V₁表示路由，E₁表示连线集合，O表示颜色集合；和y_o分别表示理由是否使用颜色的二进制量，如果点v使用了颜色o，则否则，如果颜色o使用过至少一次，则y_o＝1，否则，y_o＝0。

进一步地，所述根据分配的颜色总数以及各颜色分配的路由类数，按照比例的将频谱进行分块，具体为：

根据下式确定第i种颜色分配的频谱块大小St(i)：

St(i)＝ratio(i)×num；

式中，num表示频谱格总数，ratio(i)表示第i种颜色比例；根据每种颜色分配的频谱块的大小比例来对频谱进行分块。

进一步地，所述根据即将传输的电力通信业务，综合考虑转接跳数与全网的风险均衡值，从路由备选集合中选取最优解具体为：

根据以下目标函数从路由备选集合中选取最优解，进而确定执行业务分配的路由：

Min M＝CAPEX+R_e；

约束函数为：

CAPEX＝∑^Vp；

式中，M表示综合优化目标，CAPEX表示第i条路由的转接跳数，im代表初始的失效率概率，n代表业务的重要度，p代表路由经过的节点数量，R(i，j)代表风险综合值，N代表颜色种类，S代表全网络链路集合，FS_ij表示链路ij上的频谱格总数，表示链路ij上的空闲频谱格数量，μ表示全网平均风险值，R_e表示全网风险标准差。

较佳的，根据选取的路由与分配的颜色，确定频谱块位置，完成频谱分配具体为：采用以下公式完成频谱分配：

q＝0

FOR label＝1：r

if spectrum(1：l，label：(label+r))＝＝0

spectrum(1：l，label：(label+r))＝1

q＝1

break

ifq＝＝0

ratio＝ratio+1

式中，q为标识位；q为0表示未成功分配频谱；q为1表示已经成功分配频谱；label表示频谱序号；ratio表示阻塞率；spectrum表示频谱矩阵。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明可以减少频谱碎片化现象，能够在提高频谱利用率的同时解决现有技术中的无法综合考虑节点转接跳数与全网风险均衡度的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程示意图。

图2为本发明实施例的一种网络拓扑结构示意图。

图3为本发明实施例与对比方法的业务平均转接跳数对比示意图。

图4为本发明实施例与对比方法的全网风险均衡度对比示意图。

图5为本发明实施例与对比方法的业务阻塞率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法，在路由选择计算中，能够根据跳数指标，得到路由备选集合；并根据路由节点跳数与频谱颜色总数，确定路由备选集合着色情况，从而降低全网风险均衡度，并达到更加优良的频谱分配效果。然后，通过计算全网风险均衡度，综合考虑路由节点跳数与全网风险均衡度，从路由备选集合中选取路由，完成频谱分配。

具体包括以下步骤：

根据电力通信拓扑，确定各电力通信网节点相互间的路由备选集合；

对路由进行着色分类，并确定分配的颜色总数，根据路由节点跳数与频谱颜色总数确定路由备选集合着色情况，降低全网风险均衡度；

根据分配的颜色总数以及各颜色分配的路由类数，按照比例的将频谱进行分块；

根据即将传输的电力通信业务，综合考虑转接跳数与全网的风险均衡值，从路由备选集合中选取最优解，确定执行业务分配的路由；

根据选取的路由与分配的颜色，确定频谱块位置，完成频谱分配。

在本实施例中，所述根据电力通信拓扑，确定各电力通信网节点相互间的路由备选集合具体为：

根据电力通信网拓扑得到无向图G＝(V,E)；其中，V表示电力通信网的点集V＝{v₁,v₂,v₃,...,v_N}，E表示电力通信网的边集E＝{e₁,e₂,e₃,...,e_m}；

根据电力通信网的点集和边集以及下式确定第i条路由的转接跳数CAPEX：

式中，p表示经过的节点数量；

根据路由的转接跳数CAPEX，确定第i个电力通信网节点对的路由备选集合。具体为将转接跳数类比于链路权值指标，即可采用经典的ksp—前k条最短路径算法得到路由备选集合。

在本实施例中，所述根据路由节点跳数与频谱颜色总数确定路由备选集合着色情况，降低全网风险均衡度具体为：

采用相同链路颜色不同，或者不同链路颜色相同的原则，建立以下目标函数：

MinQ＝CAPEX+N；

式中，N为频谱颜色总数，Q为最优均衡数；

约束条件为：

式中，p表示路由经过的节点数量，V₁表示路由，E₁表示连线集合，O表示颜色集合；和y_o分别表示路由是否使用颜色的二进制量，如果点v使用了颜色o，则否则，如果颜色o使用过至少一次，则y_o＝1，否则，y_o＝0。

在本实施例中，所述根据分配的颜色总数以及各颜色分配的路由类数，按照比例的将频谱进行分块，具体为：

根据下式确定第i种颜色分配的频谱块大小St(i)：

St(i)＝ratio(i)×num；

式中，num表示频谱格总数，ratio(i)表示第i种颜色比例；根据每种颜色分配的频谱块的大小比例来对频谱进行分块。

在本实施例中，所述根据即将传输的电力通信业务，综合考虑转接跳数与全网的风险均衡值，从路由备选集合中选取最优解具体为：

根据以下目标函数从路由备选集合中选取最优解，进而确定执行业务分配的路由：

Min M＝CAPEX+R_e；

约束函数为：

CAPEX＝∑^Vp；

式中，M表示综合优化目标，CAPEX表示第i条路由的转接跳数，im代表初始的失效率概率，n代表业务的重要度，p代表路由经过的节点数量，R(i，j)代表风险综合值，N代表颜色种类，S代表全网络链路集合，FS_ij表示链路ij上的频谱格总数，表示链路ij上的空闲频谱格数量，μ表示全网平均风险值，R_e表示全网风险标准差。

较佳的，在本实施例中，根据选取的路由与分配的颜色，确定频谱块位置，完成频谱分配具体为：采用以下公式完成频谱分配：

q＝0

FOR lahel＝1：r

if spectrum(1：l，label：(label+r))＝＝0

spectrum(1：l，label_：(label+r))＝1

q＝1

break

ifq＝＝0

ratio＝ratio+1

式中，q为标识位；q为0表示未成功分配频谱；q为1表示已经成功分配频谱；label表示频谱序号；ratio表示阻塞率；spectrum表示频谱矩阵。

本实施例以图2作为NSFNET网络拓扑结构图，图2中共有14个节点，48条链路。业务的重要度与频谱格需求数量均服从(1，5)的均匀分布；对比算法为路由转接跳数最优算法，频谱分配算法则使用了FF算法。验证了100次取平均值。

为证明本发明实施例的优越性，在本发明实施例中选取电力通信网风险均衡度、业务平均转接跳数以及业务阻塞率作为评估依据，通过综合业务平均转接跳数与全网风险均衡度，可以考察资源分配的合理性。同时根据路由着色对频谱进行分块分配，到达降低阻塞率，提高资源利用率的效果。

由图3可知，在业务数量较少的时候，主算法相较对比算法，业务平均转接跳数只会提升3.7％到4.4％。而在网络传输业务量大，业务数量较多的时候，由于对比算法的阻塞率提高，导致业务平均转接跳数降低。

由图4可知，相较之前的转接跳数指标，本文提出的算法略高于对比算法3.7％到4.4％。但在全网风险均衡度方面，本文提出的算法相较对比算法降低了60％左右。效果明显

由图5可知，在业务数量较小的时候，两种算法的阻塞率相差不大，在业务数量变大的时候，尤其是超过500的时候，对比算法的阻塞率急剧上升，而本文提出的算法则表现出较好的属性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据电力通信拓扑，确定各电力通信网节点相互间的路由备选集合；

对路由进行着色分类，并确定分配的颜色总数，根据路由节点跳数与频谱颜色总数确定路由备选集合着色情况，降低全网风险均衡度；

根据分配的颜色总数以及各颜色分配的路由类数，按照比例的将频谱进行分块；

根据即将传输的电力通信业务，综合考虑转接跳数与全网的风险均衡值，从路由备选集合中选取最优解，确定执行业务分配的路由；

根据选取的路由与分配的颜色，确定频谱块位置，完成频谱分配。

2.根据权利要求1所述的一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法，其特征在于，所述根据电力通信拓扑，确定各电力通信网节点相互间的路由备选集合具体为：

根据电力通信网拓扑得到无向图G＝(V,E)；其中，V表示电力通信网的点集V＝{v₁,v₂,v₃,...,v_N}，E表示电力通信网的边集E＝{e₁,e₂,e₃,...,e_m}；

根据电力通信网的点集和边集以及下式确定第i条路由的转接跳数CAPEX：

式中，p表示经过的节点数量；

根据路由的转接跳数CAPEX确定第i个电力通信网节点对的路由备选集合。

3.根据权利要求1所述的一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法，其特征在于，所述根据路由节点跳数与频谱颜色总数确定路由备选集合着色情况，降低全网风险均衡度具体为：

采用相同链路颜色不同，或者不同链路颜色相同的原则，建立以下目标函数：

Min Q＝CAPEX+N；

式中，N为频谱颜色总数，Q为最优均衡数；

约束条件为：

式中，p表示路由经过的节点数量，V₁表示路由，E₁表示连线集合，O表示颜色集合；和y_o是二进制量，如果点v使用了颜色o，则否则，如果颜色o使用过至少一次，则y_o＝1，否则，y_o＝0。

4.根据权利要求1所述的一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法，其特征在于，所述根据分配的颜色总数以及各颜色分配的路由类数，按照比例的将频谱进行分块，具体为：

根据下式确定第i种颜色分配的频谱块大小St(i)：

St(i)＝ratio(i)×num；

式中，num表示频谱格总数，ratio(i)表示第i种颜色比例；根据每种颜色分配的频谱块的大小比例来对频谱进行分块。

5.根据权利要求1所述的一种基于弹性光网络的电力光传输路由与频谱分配方法，其特征在于，所述根据即将传输的电力通信业务，综合考虑转接跳数与全网的风险均衡值，从路由备选集合中选取最优解具体为：

根据以下目标函数从路由备选集合中选取最优解，进而确定执行业务分配的路由：

Min M＝CAPEX+R_e；

约束函数为：

CAPEX＝∑^Vp；

式中，M表示综合优化目标，CAPEX表示第i条路由的转接跳数，im代表初始的失效率概率，n代表业务的重要度，p代表路由经过的节点数量，R(i，j)代表风险综合值，N代表颜色种类，S代表全网络链路集合，FS_ij表示链路ij上的频谱格总数，表示链路ij上的空闲频谱格数量，μ表示全网平均风险值，R_e表示全网风险标准差。