CN111010626A - 一种弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法，用以解决现有资源分配方法频块属性的利用不够充分，网络的阻塞率比较高的技术问题。本发明的步骤为：对于一个提前预留型连接请求，查找其所在路径上允许时间范围内的所有可用频块；如果无可用频块，则连接请求被阻塞；如果有可用频块，计算每个可用频块的位置度量标准；最后将位置度量标准最小的那个频块分配给该连接请求。本发明的位置度量标准反映了频块资源位置的好坏，充分利用了频块的属性，在为每个提前预留型连接请求分配资源时，分配位置最差的可用频块，而将位置较好的资源留给后面到达的连接请求，从而达到降低阻塞率的效果。

Description

一种弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法

技术领域

本发明涉及光网络的技术领域，尤其涉及一种弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法。

背景技术

随着云计算/边缘计算、5G通信、物联网等技术的快速发展，各种应用对网络带宽的要求越来越高，不同应用的带宽需求差异也越来越大，传统的波分复用光网络已经无法满足应用对网络带宽的需求。弹性光网络(Elastic Optical Network，EON)可以根据应用的带宽需求，灵活弹性地为业务分配频谱资源，故此被认为是最适合当前大带宽、多样化带宽应用场景的核心网技术。

在弹性光网络中，频谱资源被分割为一个个频隙，每个业务可以根据带宽需求、同时占用多个相邻的频隙。在为业务的连接请求分配资源时，需要满足三个限制，即频谱不重叠限制、频谱连续性限制和频谱邻接性限制。如果无法找到满足上述三个限制的频谱资源，连接请求就会被阻塞。

根据连接请求的开始时间和到达时间的关系、以及持续时间是否预先获知，连接请求可以分为立即预留型(Immediately Reservation，IR)连接请求和提前预留型(Advance Reservation，AR)连接请求：

(1)对于立即预留型连接请求(简称IR请求)，其开始时间等于到达时间，即连接请求到达后需要立即分配频谱资源；其持续时间预先不知道，只有当连接被释放后，其所占用的频谱资源才能被分配给其它连接请求。例如，视频通话是一个典型的IR请求，连接请求到达后需要立即被服务，通话何时结束无法提前获知。

(2)对于提前预留型连接请求(简称AR请求)，其开始时间晚于到达时间，请求到达时就可获知其开始时间(一般是一个允许的时间窗)和持续时间，故可以提前为其预留频谱资源；其所占的资源是频谱上的一个时间段，在这个时间段之外，这些频谱资源可以分配给其它连接请求。例如，数据中心间的数据备份是一个典型的AR请求，数据中心提前申请数据备份时间，备份的开始时间有一定的弹性，由需要备份的数据总量确定，故可根据网络带宽计算出所需的备份时长。

为AR请求分配的频谱资源除了要满足上述三个限制之外，还要满足时间连续性限制，故此，与IR业务相比，AR请求的资源分配问题更加复杂。目前已有多个针对AR请求的资源分配方法，但这些方法对频块属性的利用不够充分，网络的阻塞率比较高。

发明内容

针对现有弹性光网络中提前预留型连接请求资源分配方法频块属性的利用不够充分，网络的阻塞率比较高的技术问题，本发明提出一种弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法，充分利用频块的属性，将位置最差的可用资源分配给当前AR连接请求，而将位置较好的可用资源留给后面到达的提前预留型连接请求(AR请求)，可以大幅度降低AR请求的阻塞率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法，其步骤如下：

步骤一：对于一个提前预留型连接请求r＝(s,d,Δf,Δt,t_a,t_es,W)，s和d为连接请求r的源节点和目的节点、即连接请求r的路径为P_sd，Δf和Δt为连接请求r需要的频隙个数和时隙个数、即连接请求r需要的频块尺寸为Δf×Δt，t_a为到达时间，t_es为最早开始时间，W为允许的开始时间窗口大小、即最晚开始时间为t_es+W-1；

步骤二：检查路径P_sd上从最早开始时间t_es到最晚结束时间t_es+W+Δt-1范围内所有尺寸为Δf×Δt的频块的可用性，将所有可用频块记为可用频块集合S_A；

步骤三：如果可用频块集合S_A为空集，则连接请求r被阻塞；

步骤四：如果可用频块集合S_A不为空集，计算可用频块集合S_A中每个可用频块的位置度量标准；

步骤五：从可用频块集合S_A中选取位置度量标准最小的那个频块分配给连接请求r。

所述可用频块的位置度量标准为M＝aD_f+bD_t+cR_d，D_f为频块到频谱边界的距离，D_t为频块到最早开始时间的距离，R_d为受频块影响的频元个数，a、b、c为常系数。

所述频块到频谱边界的距离D_f，D_f＝min{D_up,D_down}，其中，上界距离D_up＝F-f_end，下界距离D_down＝f_start-1；其中，F为频谱被分为频隙的个数，频块B＝(P_sd,f_start,f_end,t_start,t_end)，f_start和f_end分别为频块B的开始频隙和结束频隙；

所述频块到最早开始时间的距离D_t＝t_start-t_es；其中，t_start和t_end分别为频块B的开始时隙和结束时隙；

所述受频块影响的频元个数

其中，左频元个数

上界频元个数

下界频元个数

其中，t₀为当前时隙，

表示第f个频隙和第t_start-1个时隙所确定的频元的状态，

表示第f_end+1个频隙和第t个时隙所确定的频元的状态，

表示第f_start-1个频隙和第t个时隙所确定的频元的状态。频元状态S_f,t的下标是变量，此处的三个量是频元状态S_f,t的下标取开始时隙、结束频隙、开始频隙的不同值的情况。

所述连接请求r中尺寸为Δf×Δt的频块由Δf×Δt个相邻的频元组成，频元为在频率上占一个频隙且在时间上占一个时隙的频谱资源，频谱资源在频率上被划分为等带宽的频隙、在时间上被划分为等时间间隔的时隙；频块中第f个频隙和第t个时隙确定的频元的频元状态为：

若频块B中所有的频元都空闲，则称频块B为一个空闲频块；若一个空闲频块的尺寸刚好等于一个提前预留型连接请求需要的频块尺寸，则称该空闲频块为该AR请求的可用频块。

所述常系数a、b、c针对不同的网络拓扑进行优化选取。

本发明的有益效果：为了进一步降低阻塞率，本发明在给一个AR请求分配资源时，使用位置度量标准对每个可用频块的位置优劣情况进行度量，即在允许的时间段内查找所有的可用频块，针对每个可用频块计算位置度量标准，然后将位置度量标准最小的那个频块分配给该AR请求。本发明的位置度量标准反映了频块资源位置的好坏，位置度量标准越大、频块位置越好；频块位置的好坏是从网络的角度来看的，位置较好的资源可以安排多种尺寸的AR请求；对于每个AR请求来说，只要频块是可用的，无论其位置好坏，其效果是一样的。本发明在为每个提前预留型连接请求分配资源时，为其分配位置最差的可用频块，而将位置较好的资源留给后面到达的连接请求，从而达到降低阻塞率的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明所使用的频谱资源名称及频谱资源状态示例图。

图3为本发明所定义的位置度量标准的计算方法示例图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法，其步骤为：

步骤一：对于一个提前预留型连接请求r＝(s,d,Δf,Δt,t_a,t_es,W)，其路径为P_sd，需要的频块尺寸为Δf×Δt，到达时间为t_a，最早开始时间为t_es，最晚开始时间为t_es+W。

连接请求r中的s、d、W、△f、△t这几个量是一个连接请求固有的描述参数，即连接请求是通过这些量来描述的，s和d为连接请求r的源节点和目的节点，通过源节点和目的节点可以得到路径P_sd。Δf和Δt为连接请求r需要的频隙个数和时隙个数，通过频隙个数和时隙个数可以得到需要的频块的尺寸为Δf×Δt。W为允许的开始时间窗口大小，即该连接请求只能在“从最早开始时间t_es到t_es+W-1这个时间窗口”的某一个时隙开始。

步骤二：检查路径P_sd上从最早开始时间t_es到t_es+W+Δt-1范围内所有尺寸为Δf×Δt的频块的可用性，记可用频块集合为S_A。

频块的可用性是针对连接请求来说的，频块可用性要满足两个条件：①频块的大小刚好与连接请求需要的频块尺寸一样；②频块中所有频元都是空闲的。所以在上面的描述中只说了要检查尺寸为Δf×Δt的频块，这是因为Δf×Δt是连接请求需要频块的尺寸。最晚结束时间△t是连接请求的持续时间，故此需要检查最早开始时间到最晚结束时间范围内的所有频块。所有具有可用性的频块为可用频块，可用频块组成的集合为可用频块集合S_A。

如图2所示是本发明方法中所使用的频谱资源名称及频谱资源状态举例。在该实例中，频谱资源在频率上被划分为等带宽的频隙(Frequency Slot，FS)，在时间上被划分为等时间间隔的时隙(Time Slot，TS)，换言之，频谱资源被划分为一个个频谱单元(SpectrumCell，SC)，简称为频元，图2中t₀是当前时隙的编号，F是频谱被划分成的频隙个数，T是在当前频隙可观察到的未来的时隙个数。如图2所示，每个小方格代表一个频元：未填充的方格表示空闲频元，即该频元未被任何连接请求使用；灰色填充的方格表示繁忙频元，即该频元被分配给了某个连接请求。相邻的Δf×Δt个频元组成一个频块(Spectrum Block，SB)，图2中共标注了四个频块：频块B₁和B₂由3×5个频元组成，频块B₃由4×4个频元组成，频块B₄由2×5个频元组成。如果频块中所有的频元都空闲，则称该频块为空闲频块；如果频块中存在繁忙频元，则称该频块为非空闲频块；特别地，如果频块中所有频元都繁忙，则称该频块为繁忙频块。在图2中，频块B₃和频块B₄为空闲频块，频块B₁和频块B₂为非空闲频块，而且频块B₁是一个繁忙频块；因此，可用频块集合S_A包括频块B₃和频块B₄。

步骤三：如果可用频块集合S_A为空集，说明未找到可用频块，则连接请求r被阻塞。

每找到一个可用频块，就会将它加到集合可用频块集合S_A中，等检查完之后来查看可用频块集合S_A中元素的个数。如果可用频块集合S_A为空集，说明未找到可用频块，此时连接请求只能被阻塞。

步骤四：如果可用频块集合S_A不为空集，计算S_A中每个可用频块的位置度量标准M＝aD_f+bD_t+cR_d，D_f为频块到频谱边界的距离，D_t为频块到最早开始时间的距离，R_d为受频块影响的频元个数，a、b、c为常系数。

图3所示为本发明方法中所定义的位置度量标准的计算方法举例。在该实例中，频谱资源被划分为16个频隙，某AR请求需要的频块尺寸为4×3，其最早开始时间为t_es，最晚开始时间为t_es+12。图3中标出了该AR请求的三个可用频块B₁、B₂、B₃，它们的位置度量标准影响因素的计算方法如下：

1)可用频块B₁更接近频谱的上边界，故此，频块到频谱边界的距离D_f＝D_up＝2，频块到最早开始时间的距离D_t＝6，受频块影响的频元个数R_d＝R_left+R_up＝3+3＝6；

2)可用频块B₂更接近频谱的下边界，故此，频块到频谱边界的距离D_f＝D_down＝1，频块到最早开始时间的距离D_t＝9，受频块影响的频元个数R_d＝R_left+R_down＝3+0＝3；

3)可用频块B₃与频谱上下边界的距离相等，故此，频块到频谱边界的距离D_f＝D_up＝D_down＝6，频块到最早开始时间的距离D_t＝1，受频块影响的频元个数R_d＝R_left+min{R_up,R_down}＝2+min{1,3}＝3。

若取常系数a＝b＝c＝1，则有M(B₁)＝2+6+6＝14，M(B₂)＝1+9+3＝13，M(B₃)＝6+1+3＝10。如果要从这三个频块中选取一个分配给该AR请求，则可用频块B₃会被选中。

通过实验仿真得到的不同的网络拓扑的常系数a、b、c，常系数与网络拓扑关系不大，与其中的业务密度大小有关系，仿真实验的结果是常系数a＝1,b＝3,c＝1时，可以在多数业务密度情况下得到最优结果。

步骤五：从可用频块集合S_A中选取位置度量标准M最小的那个频块分配给连接请求r。

逐个比较每个频块所对应的位置度量标准M的值，选取使得位置度量标准M的值最小的那个频块，选定频块之后，就使用该频块为连接请求服务(即将频块分配给连接请求)。

本发明对于一个提前预留型连接请求，查找其所在路径上允许时间范围内的所有可用频块；如果无可用频块，则连接请求被阻塞；如果有可用频块，计算每个可用频块的位置度量标准；最后将位置度量标准最小的那个频块分配给该连接请求。本发明定义了一个位置度量标准，对所有可用频块的位置好坏进行度量，将位置最差的可用频块分配给当前AR请求，而将位置较好的资源留给后面到达的AR请求，是一种有远见的资源预留方法，可以有效降低AR请求的阻塞率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一：对于一个提前预留型连接请求r＝(s,d,Δf,Δt,t_a,t_es,W)，s和d为连接请求r的源节点和目的节点、即连接请求r的路径为P_sd，Δf和Δt为连接请求r需要的频隙个数和时隙个数、即连接请求r需要的频块尺寸为Δf×Δt，t_a为到达时间，t_es为最早开始时间，W为允许的开始时间窗口大小、即最晚开始时间为t_es+W-1；

步骤二：检查路径P_sd上从最早开始时间t_es到最晚结束时间t_es+W+Δt-1范围内所有尺寸为Δf×Δt的频块的可用性，将所有可用频块记为可用频块集合S_A；

步骤三：如果可用频块集合S_A为空集，则连接请求r被阻塞；

步骤四：如果可用频块集合S_A不为空集，计算可用频块集合S_A中每个可用频块的位置度量标准；

步骤五：从可用频块集合S_A中选取位置度量标准最小的那个频块分配给连接请求r。

2.根据权利要求1所述的弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法，其特征在于，所述可用频块的位置度量标准为M＝aD_f+bD_t+cR_d，D_f为频块到频谱边界的距离，D_t为频块到最早开始时间的距离，R_d为受频块影响的频元个数，a、b、c为常系数。

3.根据权利要求2所述的弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法，其特征在于，所述频块到频谱边界的距离D_f，D_f＝min{D_up,D_down}，其中，上界距离D_up＝F-f_end，下界距离D_down＝f_start-1；其中，F为频谱被分为频隙的个数，频块B＝(P_sd,f_start,f_end,t_start,t_end)，f_start和f_end分别为频块B的开始频隙和结束频隙；

所述频块到最早开始时间的距离D_t＝t_start-t_es；其中，t_start和t_end分别为频块B的开始时隙和结束时隙；

所述受频块影响的频元个数

其中，左频元个数

上界频元个数

下界频元个数

其中，t₀为当前时隙，

表示第f个频隙和第t_start-1个时隙所确定的频元的状态，

表示第f_end+1个频隙和第t个时隙所确定的频元的状态，

表示第f_start-1个频隙和第t个时隙所确定的频元的状态。

4.根据权利要求1或3所述的弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法，其特征在于，所述连接请求r中尺寸为Δf×Δt的频块由Δf×Δt个相邻的频元组成，频元为在频率上占一个频隙且在时间上占一个时隙的频谱资源，频谱资源在频率上被划分为等带宽的频隙、在时间上被划分为等时间间隔的时隙；频块中第f个频隙和第t个时隙确定的频元的频元状态为：

若频块B中所有的频元都空闲，则称频块B为一个空闲频块；若一个空闲频块的尺寸刚好等于一个提前预留型连接请求需要的频块尺寸，则称该空闲频块为该AR请求的可用频块。

5.根据权利要求2所述的弹性光网络中有远见的提前预留业务资源分配方法，其特征在于，所述常系数a、b、c针对不同的网络拓扑进行优化选取。

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