CN110768721A - 多芯光纤网络中资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多芯光纤网络中资源分配方法，该方法：提出了纤芯间交叉串扰的评估机制，然后根据这个评估机制建立以网络中最小交叉串扰和最少占用光网络的频谱资源为目标的联合优化方法，以线性整数规划规划方法来实现多芯光纤网络中的路由计算、纤芯选择、频谱分配问题。在静态多芯光纤网络中，产生一定的业务请求，并给出足够的频谱资源令其分配，不会有阻塞业务的产生。然后依据业务请求分配过程中待实现的优化目标和各个约束条件，建立最小交叉串扰和最小频谱隙占用的联合优化方法，从而为所有业务请求找到最佳的频谱资源分配方法。

Description

多芯光纤网络中资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种多芯光纤网络中资源分配方法。

背景技术

随着云计算、数据中心、视频点播等带宽密集型应用的飞速发展，目前网络流量正以指数的速度快速增长。由于光纤的非线性、熔丝效应及香农限制等条件的影响，传统单芯光纤将要达到它的传输容量界限，已不能够满足日益增长的带宽流量的需求。因此，为了进一步满足日益增长的流量需求，空分复用技术将成为有效的传输容量手段之一。通过采用频谱灵活切片方式，可以实现带宽资源的灵活分配，从而提高频谱资源的利用率。为提高和改善网络带宽的容量与灵活性，将采用基于多芯光纤的空分复用技术来解决这一难题。然而，多芯光纤的空分复用技术虽然解决了带宽容量不足这一问题，但在资源分配过程中可能会有交叉串扰的产生，所以在多芯光频谱灵活光网络中也面临着重大挑战。

在多芯光频谱灵活光网络中分配频谱资源时，当不同的业务请求同时分配在同一链路相邻纤芯的任一相同的频谱隙中，就会有交叉串扰的产生。当交叉串扰过大时，会造成光纤中信号的不满足传输质量要求，无法使光信号在光纤中正常传输。因此，基于多芯光纤的空分复用技术的交叉串扰问题是最关键的问题之一。

在多芯光纤网络中增加了纤芯分配这一维度，即在为每个业务请求分配资源时，不仅要考虑路由和频谱的分配还需要考虑纤芯的分配问题，而且在频谱分配过程中不仅要满足频谱连续性与一致性这两个约束还需要满足交叉串扰的约束，极大提高了资源分配中的复杂度。

发明内容

本发明至少部分解决现有的多芯光频谱灵活光网络中不同的业务请求同时分配在同一链路相邻纤芯的任一相同的频谱隙中，就会有交叉串扰的问题，提供了一种可以减少交叉串扰发生的概率的多芯光纤网络中资源分配方法。

解决本发明技术问题，本发明提供了一种多芯光纤网络中资源分配方法，包括：

在多芯光纤网络G(V，L，C，F)中，产生一组业务请求集合CR，设置每条光纤链路的串扰阈值TH；

构建最小交叉串扰和最小占用频谱隙的目标函数以及约束条件，其中，所述目标函数为交叉串扰函数和占用频谱隙函数的加权和函数，所述约束条件包括：业务请求的带宽流量守恒及频谱一致性约束、频谱与纤芯资源占用唯一性约束、频谱连续性约束、交叉串扰产生的条件约束、交叉串扰阈值约束；

基于所述约束条件，对所述目标函数进行优化，得到多芯光纤网络中优化后的交叉串扰的值以及频谱资源的占用率。

可选地，所述目标函数的表达式为：

Minimize

式中，G表示使光网络中的纤芯间交叉串扰值和光网络中占

用的频谱隙个数达到最小化；

表示若纤芯i及其相邻纤芯j使用链路(m,n)中相同的频

谱隙f则为1，否则为0；其中，光网络中总的

越多，则表

明交叉串扰值越大；

为二进制变量，表示若从s节点到d节点之间第r个业

务请求的链路中使用了链路(m,n)纤芯i上的第f个频谱隙则为1，否则为0。

可选地，所述业务请求的带宽流量守恒及频谱一致性约束，配置为使每个业务请求所寻找的工作路径中，源节点的流出流量等于该业务请求的带宽需求FS_s,d,r，目的节点的流入流量等于业务请求的带宽需求FS_s,d,r，以及每个业务工作路径上的中间节点的流出流量等于流入流量，以及该工作路径中的每条链路上所分配的频谱资源满足频谱一致性约束条件；所述业务请求的带宽流量守恒及频谱一致性约束的表达式为：

式中，

为二进制变量，表示如果从s节点到d节点之间第r个业务请求的链路中使用了链路(m,n)纤芯i上的第f个频谱隙则为1，否则为0；

所述频谱资源占用唯一性约束，配置为使每个纤芯中的任意频谱隙在同一时间内最多只能被一个业务占用，且每个业务请求工作路径上的任意链路最多仅能选取一个纤芯资源；所述频谱资源占用唯一性约束的表达式为：

式中，为二进制变量，表示若从s节点到d节点之间第r个业务请求的链路中使用了链路(m,n)上的纤芯i则为1，否则为0；

其中，当且仅当有一条光链路中的某个纤芯上的任一频谱隙被选中时，则该纤芯被这条链路选中，其表达式为：

其中，在光网络中任意业务请求占用的频谱隙总个数等于其工作路径各段链路占用频谱隙个数总和，其表达式为：

所述频谱连续性约束，配置为使每个业务请求分配频谱资源的任意频谱索引小于其分配频谱隙的尾索引E_(s,d,r)，且大于其分配频谱隙的首索引S_(s,d,r)，以及满足分配频谱隙的尾索引加上首索引减一等于每个业务请求所需要的频谱资源FS_(s,d,r)；所述频谱连续性约束的表达式为：

式中，变量S_s,d,r，E_s,d,r分别代表从s节点到d节点之间第r个业务请求分配频谱隙的首索引和尾索引；

所述交叉串扰产生的条件约束，包括：若一段链路中的某个频谱隙被占用，则说明该频谱隙被某个业务请求所占用，其表达式为：

还包括：不同业务请求的工作路径在相同链路中同时占用了相邻纤芯

上的同一频谱隙，会有交叉串扰的产生，其表达式为：

式中，

为二进制变量，

表示当链路(m,n)使用了纤芯i上的第f个频谱隙则为1，否则为0；

所述交叉串扰阈值约束，配置为使任意业务请求分配频谱资源时，其工作路径中的所有链路上的交叉串扰值均不超过串扰阈值TH的大小；所述交叉串扰阈值约束的表达式为：

可选地，所述设置每条光纤链路的串扰阈值TH，包括：计算每条纤芯上的交叉串扰值，其中，每条纤芯上的交叉串扰值为其他所有光纤对该光纤的串扰值的总和，表达式为：

其中，

表示所有与纤芯c_i相邻的纤芯集合，c_j表示与纤芯c_i产生交叉串扰的相邻纤芯；

带沟槽的多芯光纤结构中相邻纤芯间c_i和c_j的平均交叉串扰值的表达式为：

其中，l表示一段光纤链路的长度。

本发明多芯光纤网络中资源分配方法，至少有如下优点：

在本发明中引入相邻纤芯间的交叉串扰评估机制，通过求解交叉串扰值和网络中占用的频谱隙个数达到最小化的目标函数，满足目标函数的约束条件。根据所选调制方式及各个光纤内部所选参数，预先设定多芯光纤频谱灵活光网络中的交叉串扰阈值，即每个业务请求分配资源时所能容忍的最大交叉串扰值。因此，在多芯光纤频谱灵活光网络中，本发明提出一种基于交叉串扰的路由选择、频谱分配和纤芯选择的资源分配方法，建立以最小交叉串扰值和最大频谱资源利用为目标的联合优化整数线性规划(ILP)模型，从而实现了多芯光纤频谱灵活光网络中的最小串扰值，提高了网络业务传输的服务质量。

附图说明

图1带沟槽的多芯光纤的结构；

图2本发明多芯光纤网络中资源分配方法的一种实施例的优化模型流程图；

图3本发明多芯光纤网络中资源分配方法的一种实施例的网络中的业务路由分配情况；

图4三芯光纤结构图；

图5本发明多芯光纤网络中资源分配方法的一种实施例的网络中各业务在(0,5)链路中的资源分配示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本实施例一种多芯光纤网络中资源分配方法，包括：

步骤1、在多芯光纤网络G(V，L，C，F)中，产生一组业务请求集合

CR，设置每条光纤链路的串扰阈值TH。

该步骤为网络初始化的步骤，在该步骤中，在多芯光纤网络G(V,L,C,F)中，产生一组业务请求集合CR,每个业务请求(s,d,r,f)∈CR,其中V,L,C,F分别代表光网络中的交换节点集合、光纤链路集合、每条链路上的纤芯集合、每个纤芯的频谱隙集合；s和d分别代表每个业务请求的源节点和目的节点，r表示源节点s和目的节点d之间的第r个业务请求，f代表每个业务请求所需的频谱隙个数。设定|V|、|L|、|C|、|F|的个数，分别表示光网络中节点数目、光纤链路数目、每条链路的纤芯数目及每个纤芯的频谱隙数目。设置每条光纤链路的串扰阈值TH。

图1中展示了带沟槽的多芯光纤的内部结构，Δ₁和Δ₂分别为纤芯和包层、沟槽和包层之间的相对折射率差；r₁、r₂,、r₃分别为纤芯半径、纤芯中央到沟槽内部边缘的长度、纤芯中央到沟槽外部边缘的长度。

在带沟槽的多芯光纤结构中，相邻纤芯间单位长度交叉串扰的平均增长量如下：

h_TA＝h*Г*exp[-4(W₂-W₁)] (1)

其中，表示每个单位长度交叉串扰的平均增长量,k、r、β、∧分别表示光纤物理参数，分别代表耦合系数、曲率半径、传播常数和相邻纤芯核间距；

带沟槽的多芯光纤结构中相邻纤芯间c_i和c_j的平均交叉串扰值用公式(2)表示：

其中，l表示一段光纤链路的长度。

由于相邻纤芯间交叉串扰值能够被累加起来，因此，在多芯光纤中，其他所有光纤对单个光纤的平均串扰值可以转化成每条光纤对该光纤的平均串扰总和。为此，可得在带沟槽的多芯光纤结构中纤芯c_i上的交叉串扰值为：

其中，

表示所有与纤芯c_i相邻的纤芯集合，c_j表示与纤芯c_i产生交叉串扰的相邻纤芯。

步骤2、构建最小交叉串扰和最小占用频谱隙的目标函数以及约束条件，其中，所述目标函数为交叉串扰函数和占用频谱隙函数的加权和函数，所述约束条件包括：业务请求的带宽流量守恒及频谱一致性约束、频谱与纤芯资源占用唯一性约束、频谱连续性约束、交叉串扰产生的条件约束、交叉串扰阈值约束。

该步骤中，所述目标函数的表达式为：

用率，实现网络中频谱利用的最优化。优化目标函数可用如下式子表示：

Minimize

步骤3、基于所述约束条件，对所述目标函数进行优化，得到多芯光纤网络中优化后的交叉串扰的值以及频谱资源的占用率。

该步骤中，对多芯光纤网络中的频谱资源进行分配与优化时须满足以下约束条件，具体条件如下所示：

(1)业务请求的带宽流量守恒及频谱一致性约束：

其中

为二进制变量，表示如果从s节点到d节点之间第r个业务请求的链路中使用了链路(m,n)纤芯i上的第f个频谱隙则为1，否则为0。约束条件(5-6)不仅保证了在为每个业务请求所寻找的工作路径中，源节点的流出流量等于该业务请求的带宽需求FS_s,d,r，目的节点的流入流量等于业务请求的带宽需求FS_s,d,r，同时每个业务工作路径上的中间节点的流出流量等于流入流量，而且保证了该工作路径中的每条链路上所分配的频谱资源满足频谱一致性约束条件。

(2)频谱资源占用唯一性约束：

其中，

为二进制变量，表示若从s节点到d节点之间第r个业务请求的链路中使用了链路(m,n)上的纤芯i则为1，否则为0。约束条件(7-8)保证了频谱和纤芯资源占用的唯一性，即每个纤芯中的任意频谱隙在同一时间内最多只能被一个业务占用，且每个业务请求工作路径上的任意链路最多仅能选取一个纤芯资源。

(3)对变量

的约束：

约束条件(9-10)阐明了变量

与之间的关系，主要对

进行约束，条件(9)表明当且仅当有一条光链路中的某个纤芯上的任一频谱隙被选中时，则该纤芯被这条链路选中。条件(10)表明在光网络中任意业务请求占用的频谱隙总个数等于其工作路径各段链路占用频谱隙个数总和。

(4)频谱连续性约束：

其中变量S_s,d,r，E_s,d,r分别代表从s节点到d节点之间第r个业务请求分配频谱隙的首索引和尾索引。约束条件(11-13)确保为每个业务请求分配频谱资源的任意频谱索引小于其分配频谱隙的尾索引E_s,d,r，且大于其分配频谱隙的首索引S_s,d,r。此外，还要满足分配频谱隙的尾索引加上首索引减一等于每个业务请求所需要的频谱资源FS_s,d,r，即满足频谱连续性约束条件。

(5)交叉串扰产生的条件约束：

其中

为二进制变量，

表示当链路(m,n)使用了纤芯i上的第f个频谱隙则为1，否则为0；

表示若纤芯i及其相邻纤芯j使用链路(m,n)中相同的频谱隙f则为1，否则为0。约束条件(14-15)描述了变量

与

之间的联系，主要对

进行约束：若一段链路中的某个频谱隙被占用，则说明该频谱隙被某个业务请求所占用。约束条件(16)保证了交叉串扰产生的条件，即只有不同业务请求的工作路径在相同链路中同时占用了相邻纤芯上的同一频谱隙，才会有交叉串扰的产生。也即当

等于1时，会产生交叉串扰。

(6)交叉串扰阈值约束：

约束条件(17)可以保证为任意业务请求分配频谱资源时，其工作路径中的所有链路上的交叉串扰值均不超过串扰阈值TH的大小，满足交叉串扰的约束条件。

步骤3、基于所述约束条件，对所述目标函数进行优化，得到多芯光纤网络中优化后的交叉串扰的值以及频谱资源的占用率。

通过以上约束条件，可以找出在多芯光纤网络中路由、频谱、纤芯资源的分配方法，从而实现该发明整数线性规划的联合优化目标函数。该模型的具体流程框图如图2所示。

为了进一步理解该发明中提出的联合优化方法，下面结合相关的具体示例对本发明中具体的实施方法进行详细阐述，如下所示：

以图3所示的网络拓扑为例，光纤链路上的数值代表链路长度(单位：km)，每条光纤链路是双向的，包含一个结构如图4所示的三芯光纤。设定每条光纤链路的频谱带宽为75GHz，每个频谱隙带宽为12.5GHz，即每个纤芯共有6个频谱隙。设置可调节参数a＝β＝0.5，交叉串扰阈值TH＝-32dB。

在多芯光纤网络中生成一组业务请求集合CR＝{CR₀(0,5,1,3),CR₁(0,4,1,4),CR₂(0,5,2,3)}。

确立并执行该发明中提出的多芯光纤网络中最小交叉串扰和最小频谱隙占用的目标函数(见公式(4))。

确立并执行多芯光纤网络中联合优化方法的各个约束条件。在为每个业务分配资源的过程中，要满足业务请求的带宽流量守恒及频谱一致性约束条件(见公式(5-6))、频谱与纤芯资源占用唯一性约束条件(见公式(7-10))、频谱连续性约束条件(见公式(11-13))、交叉串扰产生约束条件(见公式(14-16))、交叉串扰阈值约束条件(见公式(17))。

经过上述步骤，即可基于目标条件下为网络中的业务请求CR₀(0,5,1,3),CR₁(0,4,1,4),CR₂(0,5,2,3)分配相应的频谱资源。为了减少频谱占用，本发明方法在为每个业务寻找工作路径时，计算出每个业务的最短路径作为其工作路径。如图3所示，CR₀与CR₂的工作路径均用橙色箭头标出为0-5，CR₁的工作路径用蓝色箭头标出为0-5-4。由于三个业务的工作路径中均占用了(0，5)这段链路，在分配频谱和纤芯资源时，在这段链路中(用红色标记的链路)可能会有交叉串扰的产生。为实现减少网络中交叉串扰的目标，在这段链路中要进行资源分配的优化。本发明方法在执行完约束条件后，会为这三个业务请求在(0，5)链路上分配最优的资源。如图5所示：首先为CR₀选择了纤芯0上的前三个频谱资源，当CR₁到来时，为它选择了纤芯1中频谱索引编号为2到5之间的频谱隙。此时CR₀与CR₁之间仅有索引编号为2的频谱隙会产生交叉串扰。而当CR₂到来时，为它选择了纤芯2中频谱索引编号为3到5之间的频谱隙，在CR₁与CR₂间索引编号为3到5之间的频谱隙会有交叉串扰的产生。然后基于本专利中提出的交叉串扰评估机制，判断CR₀、CR₁与CR₂分配的资源是否满足交叉串扰阈值约束条件，若满足条件，则此时网络中的业务均已成功建立。为一组业务请求，即CR₀、CR₁与CR₂，分配最优的频谱资源，使网络中的交叉串扰值达到最小。

本发明首先，评估纤芯间交叉串扰，根据这个评估建立以网络中最小交叉串扰和最少占用光网络的频谱资源为目标的联合优化方法，以线性整数规划规划方法来实现多芯光纤网络中的路由计算、纤芯选择、频谱分配问题。在静态多芯光纤网络中，产生一定的业务请求，并给出足够的频谱资源令其分配，不会有阻塞业务的产生。然后依据业务请求分配过程中待实现的优化目标和各个约束条件，建立最小交叉串扰和最小频谱隙占用的联合优化方法，从而为所有业务请求找到最佳的频谱资源分配方法。

该方法可以极大地降低多芯光纤网络中所产生的交叉串扰，使得多芯光纤网络中的交叉串扰问题得以解决，从而提高多芯光纤网络中业务请求的传输性能和服务质量。同时也为每个业务请求寻找最短的工作路径，降低网络中频谱资源的浪费，大大提高了频谱资源的利用率。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种多芯光纤网络中资源分配方法，其特征在于，包括：

在多芯光纤网络G(V，L，C，F)中，产生一组业务请求集合CR，设置每条光纤链路的串扰阈值TH；

构建最小交叉串扰和最小占用频谱隙的目标函数以及约束条件，其中，所述目标函数为交叉串扰函数和占用频谱隙函数的加权和函数，所述约束条件包括：业务请求的带宽流量守恒及频谱一致性约束、频谱与纤芯资源占用唯一性约束、频谱连续性约束、交叉串扰产生的条件约束、交叉串扰阈值约束；

基于所述约束条件，对所述目标函数进行优化，得到多芯光纤网络中优化后的交叉串扰的值以及频谱资源的占用率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数的表达式为：Minimize

式中，G表示使光网络中的纤芯间交叉串扰值和光网络中占用的频谱隙个数达到最小化；

表示若纤芯i及其相邻纤芯j使用链路(m,n)中相同的频谱隙f则为1，否则为0；其中，光网络中总的

越多，则表明交叉串扰值越大；

为二进制变量，表示若从s节点到d节点之间第r个业务请求的链路中使用了链路(m,n)纤芯i上的第f个频谱隙则为1，否则为0。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述业务请求的带宽流量守恒及频谱一致性约束，配置为使每个业务请求所寻找的工作路径中，源节点的流出流量等于该业务请求的带宽需求FS_s,d,r，目的节点的流入流量等于业务请求的带宽需求FS_s,d,r，以及每个业务工作路径上的中间节点的流出流量等于流入流量，以及该工作路径中的每条链路上所分配的频谱资源满足频谱一致性约束条件；所述业务请求的带宽流量守恒及频谱一致性约束的表达式为：

式中，

为二进制变量，表示如果从s节点到d节点之间第r个业务请求的链路中使用了链路(m,n)纤芯i上的第f个频谱隙则为1，否则为0；

所述频谱资源占用唯一性约束，配置为使每个纤芯中的任意频谱隙在同一时间内最多只能被一个业务占用，且每个业务请求工作路径上的任意链路最多仅能选取一个纤芯资源；所述频谱资源占用唯一性约束的表达式为：

式中，

为二进制变量，表示若从s节点到d节点之间第r个业务请求的链路中使用了链路(m,n)上的纤芯i则为1，否则为0；

其中，当且仅当有一条光链路中的某个纤芯上的任一频谱隙被选中时，则该纤芯被这条链路选中，其表达式为：

其中，在光网络中任意业务请求占用的频谱隙总个数等于其工作路径各段链路占用频谱隙个数总和，其表达式为：

所述频谱连续性约束，配置为使每个业务请求分配频谱资源的任意频谱索引小于其分配频谱隙的尾索引E_(s,d,r)，且大于其分配频谱隙的首索引S_(s,d,r)，以及满足分配频谱隙的尾索引加上首索引减一等于每个业务请求所需要的频谱资源FS_(s,d,r)；所述频谱连续性约束的表达式为：

式中，变量S_s,d,r，E_s,d,r分别代表从s节点到d节点之间第r个业务请求分配频谱隙的首索引和尾索引；

所述交叉串扰产生的条件约束，包括：若一段链路中的某个频谱隙被占用，则说明该频谱隙被某个业务请求所占用，其表达式为：

还包括：不同业务请求的工作路径在相同链路中同时占用了相邻纤芯上的同一频谱隙，会有交叉串扰的产生，其表达式为：

式中，

为二进制变量，

表示当链路(m,n)使用了纤芯i上的第f个频谱隙则为1，否则为0；

所述交叉串扰阈值约束，配置为使任意业务请求分配频谱资源时，其工作路径中的所有链路上的交叉串扰值均不超过串扰阈值TH的大小；所述交叉串扰阈值约束的表达式为：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置每条光纤链路的串扰阈值TH，包括：计算每条纤芯上的交叉串扰值，其中，每条纤芯上的交叉串扰值为其他所有光纤对该光纤的串扰值的总和，表达式为：

其中，

表示所有与纤芯c_i相邻的纤芯集合，c_j表示与纤芯c_i产生交叉串扰的相邻纤芯；

带沟槽的多芯光纤结构中相邻纤芯间_i和_j的平均交叉串扰值的表达式为：

其中，l表示一段光纤链路的长度。

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