CN111800679A - 一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法及装置 - Google Patents

一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法及装置 Download PDF

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CN111800679A CN202010433503.3A CN202010433503A CN111800679A CN 111800679 A CN111800679 A CN 111800679A CN 202010433503 A CN202010433503 A CN 202010433503A CN 111800679 A CN111800679 A CN 111800679A
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Abstract

本发明涉及一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法及装置，属于光通信技术领域。本发明所述的方法通过在空分复用弹性光网络全光分层节点中配置有限频谱转换器和资源预留模块；并综合考虑少模光纤中相邻模式间串扰和模式上的频谱资源使用情况，构造模式‑频谱串扰辅助图。当全光分层节点中，分组因竞争相同目的端口频谱资源冲突时，根据节点的有限频谱转换器转换范围和模式的空闲频谱块资源，提出一种基于串扰避免的滑动窗方法计算空闲频谱块的资源值，从而在空‑频域解决冲突业务的调度问题；当空‑频域不能解决该冲突时，将冲突业务预留至资源预留模块的下一时隙调度，以降低业务的带宽阻塞率和平均时延。

Description

一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法及装置
技术领域
本发明属于光通信技术领域，涉及一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法及 装置。
背景技术
近年来，随着新的互联网协议应用，如高清晰度视频传输，互动游戏，物联网、云计算 等快速发展，设备规模化逐渐增大，网络负载也逐渐加重，需要构建大量数据中心以满足越 来越多计算资源需求。由于不同应用分布在各自的数据中心上进行高速处理，所以数据中心 网络可以实现大容量的网络需求。但是传统的波分复用网络将频谱划分为波长单位的信道， 这种固定栅格的网络造成带宽浪费，并且难以满足高速、不同粒度带宽需求的业务传输。而 基于正交频分复用技术的空分复用弹性光网络，光谱被划分为较小的频隙(12.5GHz或 6.25GHz)，频谱分配方式灵活、传输容量大、资源利用率高。因此，大容量和灵活带宽的空 分复用弹性光网络可以有效缓解数据中心中的大数据传输问题。
空分复用技术可将空间维度划分为多个单元，能够有效满足数据中心中大容量业务的传 输。空分复用技术分为多模光纤技术和多芯光纤技术两个方面。在多芯光纤中，多根相同物 理属性的单模纤芯放置在光缆中，组成一个大容量的传输系统。根据光缆中纤芯数量的不同 可以分为19芯、7芯、3芯等不同类型的光纤；也可根据纤芯放置在光缆中位置的不同分为单 环、双环、线性阵列、双重结构等不同类型的光纤。这些光纤中的不同纤芯之间相互耦合将 产生物理芯间串扰，不同的调制格式，串扰的门限值不同，只要业务的串扰值低于串扰门限， 业务就可有效传输。另一方面，多模光纤由不同模式的单芯光纤组成，模式通常由几个分组 组成，业务可以在不同模式和分组上任意传输，相同模式的不同分组之间不存在串扰，但是 不同模式之间存在串扰。多模光纤可以使用10个及以上的模式传输业务，虽然可以有效提高 传输容量，但是串扰值过大导致误码率极高，并且复杂度也较高。而少模光纤虽然减少模式 数量，但是串扰和复杂度大大降低，能够更加有效地传输业务。并且，少模光纤具有每单位 面积携带更多数据，光放大的功率高等优点，相对于多芯光纤也具有更高的非线性容差，所 以少模光纤近年来被广泛的研究。
在空分复用弹性光网络全光分层节点中，若存在多个业务同时需要输出至某输出端口， 且请求的频谱资源存在重叠，则冲突问题产生。若缺乏有效地冲突解决策略，全光分层节点 的带宽阻塞率迅速上升。另外，在空分复用弹性光网络中，业务在相邻模式传输时若存在频 谱重叠，则光信号将“泄露”至相邻的模式，造成模式间串扰，这种串扰随着传输距离的增加 加剧，从而严重影响信号传输质量。
采用提前预留机制预留冲突业务，将业务预留至下一时隙再进行交换，可以显著降低带 宽阻塞率，但存在一定时延。使用有限频谱转换器将冲突频谱转换至相邻空闲频谱上，能够 降低带宽阻塞率，并且不存在缓存时延。但是，光域上的频谱转换存在技术不成熟、成本高 和实现困难等缺点，另一方面业务传输存在串扰问题。所以需要考虑全光分层交换节点中配 置的有限频谱转换器数量和预留时隙，并设计合理有效地冲突解决算法解决业务在全光分层 节点交换中的冲突和串扰问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法及 装置，用于降低业务的带宽阻塞率和平均延迟。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法，该方法包括以下步骤：
S1：在全光分层节点结构中配置节点共享的有限频谱转换器和资源预留模块，在当前调 度时隙内，根据请求业务的输入信息，确定业务的输出端口、光纤模式和占用频谱，并在该 全光分层节点中进行交换；
S2：若业务在全光分层节点的输出端口因争用频谱而导致交换失败，则构造该冲突业务 的模式-频谱串扰辅助图，转S3；否则，直接交换业务；
S3：若节点的可用有限频谱转换器数量等于零，转S4；否则，在纤芯的所有模式和有限 频谱转换器的转换频谱范围内进行滑动，寻找全部可以容纳冲突业务的空闲频谱块，并计算 若将冲突业务放在空闲频谱块后的频谱串扰值，若频谱串扰值大于串扰阈值，更新模式-频谱 串扰辅助图，转S4；否则，计算所有空闲频谱块的频谱资源值，并选择频谱资源值最小的空 闲频谱块转换业务的频谱；
S4：根据首次命中原则，在资源预留模块中选择可用时隙预留给冲突业务，计算该冲突 业务的总预留时隙，若其值小于业务容忍的时隙阈值，则将冲突业务预留在资源预留模块中， 等待下一时隙进行调度；否则，资源预留失败，阻塞该冲突业务。
进一步，所述S1具体方法为：
S101：根据请求业务的输入信息，确定业务交换的目的端口、光纤模式和需要占用的频 谱，在配置有限频谱转换器和预留资源模块的全光分层节点结构中进行交换；
S102：若目的端口上业务需要占用的模式和频谱空闲，则成功交换；否则，判定该业务 产生频谱资源竞争冲突，需要冲突解决方法调度该业务。
进一步，所述S2具体方法为：
S201：若业务产生频谱资源竞争冲突，遍历纤芯的所有模式和频谱，并分别计算2个参 数，分别表示串扰值和频谱的可用性；
S202：遍历纤芯的所有模式和频谱，若相邻模式之间的相同频谱被占用，则第一个参数 的串扰值加1；否则，第一个参数的串扰值不变；
S203：遍历纤芯的所有模式和频谱，若频谱被占用，第二个参数的频谱可用性设为0； 否则，频谱可用性为1。
进一步，所述S3具体方法为：
S301：若节点的可用有限频谱转换器数量等于零，转S4；否则，在纤芯的所有模式和转 换频谱范围内，分别进行模式和频谱的上、下和左、右滑动，在滑动过程中，找到若干大于 或等于冲突业务频谱的空闲频谱块，放入集合频谱选择(Spectrum Select,SS)中；
S302：依次计算若将冲突业务放在SS中的各空闲频谱块后的频谱串扰值。计算各空闲 频谱块后的频谱串扰值时，先根据S2更新该频谱块若占用后的模式-频谱串扰辅助图，计算 占用该空闲频谱块的串扰值，若其值大于串扰阈值，将该空闲频谱块从集合SS中删除，依此 判断各空闲频谱块的可用性；
S303：依次计算若将冲突业务放在更新后SS中各空闲频谱块的频谱资源值，并选择集 合SS中频谱资源值最小的空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块，若存在多个频谱串扰值最 小的空闲频谱块，则随机选择其中的一个空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块。
空闲频谱块的资源值计算公式：
Figure BDA0002501358790000031
在该式中，Xf k是一个布尔变量，若模式k上的第f个频谱块被占用，Xf k＝1；否则，Xf k＝0，i和j分别是频谱块f的频隙索引起、止值，M是光纤中的模式分组总数，BLk free是模式k中的空闲频谱块数量，BLk all是模式k中的所有频谱块总和，
Figure BDA0002501358790000032
表明是否需要使用频谱选择 开关进行模式切换，若需要，
Figure BDA0002501358790000033
否则，
Figure BDA0002501358790000034
进一步，所述S4具体方法为：
S401：若S3中所有空闲频谱的频谱串扰值均大于串扰阈值，或没有空闲频谱块可供冲突 业务转换时，则使用资源预留模块解决业务冲突调度问题；
S402：根据首次命中原则，在资源预留模块中为冲突业务选择最少的预留时隙；
S403：计算该冲突业务从源全光节点至此全光分层节点总预留的时隙，若总预留时隙小 于业务容忍的时隙阈值，则对冲突业务进行时隙预留；否则，阻塞该冲突业务。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决装置，该装置包括：
静态模块：空分复用弹性光网络分层全光节点结构有N个输入/输出端口，每个端口内有 1根纤芯和空分复用/解复用器，每根纤芯内有M种模式传输业务，该全光分层节点结构还配 置节点共享型有限频谱转换器和资源预留模块处理冲突业务，该全光分层节点结构中的控制 模块控制业务交换和冲突解决，空分复用弹性光网络全光分层节点结构分为2层，第一层对 业务进行N×N全连接模式的频谱空间交换，第二层根据冲突解决算法，将冲突业务在频谱 转换范围内进行频谱转换，或是将业务预留一定时隙再调度；
控制模块：当业务到达空分复用弹性光网络全光分层节点时，根据请求业务的输入信息， 确定业务的输出端口、光纤模式和占用频谱，然后业务在该全光分层节点结构第一层进行N ×N全连接模式的频谱空间交换，若业务因竞争相同频谱资源而导致冲突时，控制模块将冲 突业务切换至该全光分层节点结构第二层，在空-频域模块或时域资源预留模块解决冲突；否 则，业务在全光分层节点结构第一层正常交换；
空-频域模块：若节点可用的有限频谱转换器数量等于零，进入时域资源预留模块进行冲 突解决；否则，在纤芯的所有模式和频谱上滑动，根据频谱串扰和频谱占用情况构造模式- 频谱串扰辅助图，并且在滑动过程中找到若干大于或等于冲突业务频谱的空闲频谱块，放入 集合频谱选择(Spectrum Select,SS)中；依次计算若将冲突业务放在SS中的各空闲频谱块后的 频谱串扰值。计算各空闲频谱块后的频谱串扰值时，先根据模式频谱占用情况更新该频谱块 若占用后的模式-频谱串扰辅助图，计算占用该空闲频谱块的串扰值，若其值大于串扰阈值， 将该空闲频谱块从集合SS中删除，依次计算若将冲突业务放在更新后SS中各空闲频谱块的 频谱资源值，并选择集合SS中频谱资源值最小的空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块，若 存在多个频谱串扰值最小的空闲频谱块，则随机选择其中的一个空闲频谱块作为冲突业务的 转换频谱块；
时域资源预留模块：若空-频域模块不能解决业务冲突问题，根据首次命中原则，在资源 预留模块中为业务选择最少的预留时隙，然后计算该冲突业务从源全光节点至此全光分层节 点总预留的时隙，若总预留时隙小于业务容忍的时隙阈值，则对冲突业务进行时隙预留；否 则，阻塞该冲突业务。
进一步，所述静态模块，用于确定空分复用弹性光网络全光分层节点的端口数量、模式 数量、纤芯数量、配置有限频谱转换器和资源预留模块的方式、器件连接方式、业务到达该 全光分层节点结构时的调度方式。
进一步，所述控制模块，用于根据请求业务的输入信息，确定业务的输出端口、光纤模 式和占用频谱，在配置有限频谱转换器和预留资源的全光分层节点结构中进行交换；若目的 端口上业务需要占用的模式频谱空闲，则成功交换；否则，判定该业务产生频谱资源竞争冲 突，需要冲突解决算法调度该冲突业务。
进一步，所述空-频域模块，用于若业务产生频谱资源竞争冲突，遍历纤芯的所有模式和 频谱，并分别计算2个参数，分别表示串扰值和频谱的可用性；遍历纤芯的所有模式和频谱， 若相邻模式之间的相同频谱被占用，则第一个参数的串扰值加1；否则，第一个参数的串扰值 不变；遍历纤芯的所有模式和频谱，若频谱被占用，第二个参数的频谱可用性设为0；否则， 频谱可用性为1；若节点的可用有限频谱转换器数量等于零，则进入时域资源预留模块；否 则，在纤芯的所有模式和转换频谱范围内，分别进行模式和频谱的上、下和左、右滑动，在 滑动过程中，找到若干大于或等于冲突业务频谱的空闲频谱块，放入集合频谱选择(Spectrum Select,SS)中；依次计算若将冲突业务放在SS中的各空闲频谱块后的频谱串扰值。计算各空 闲频谱块后的频谱串扰值时，先根据S2更新该频谱块若占用后的模式-频谱串扰辅助图，计 算占用该空闲频谱块的串扰值，若其值大于串扰阈值，将该空闲频谱块从集合SS中删除，依 此判断各空闲频谱块的可用性；依次计算若将冲突业务放在更新后SS中各空闲频谱块的频谱 资源值，并选择集合SS中频谱资源值最小的空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块，若存在 多个频谱串扰值最小的空闲频谱块，则随机选择其中的一个空闲频谱块作为冲突业务的转换 频谱块。
空闲频谱块的资源值计算公式：
Figure BDA0002501358790000051
在该式中，Xf k是一个布尔变量，若模式k上的第f个频谱块被占用，Xf k＝1；否则，Xf k＝0，i和j分别是频谱块f的频隙索引起、止值，M是光纤中的模式分组总数，BLk free是模式k中的空闲频谱块数量，BLk all是模式k中的所有频谱块总和，
Figure BDA0002501358790000052
表明是否需要使用频谱选择 开关进行模式切换，若需要，
Figure BDA0002501358790000053
否则，
Figure BDA0002501358790000054
进一步，所述时域资源预留模块，用于当空-频域模块不能解决业务冲突问题时，根据首 次命中原则，在资源预留模块中为业务选择最少的预留时隙，然后计算该冲突业务从源全光 节点至此分层全光节点总预留的时隙，若总预留时隙小于业务容忍的时隙阈值，则对冲突业 务进行时隙预留；否则，阻塞该冲突业务。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法及装置，在空-频域设计了 一个基于串扰避免的滑动窗资源计算方法对冲突业务进行处理，在降低串扰的同时，减小业 务的带宽阻塞率；对于空-频域未能解决的冲突业务，所提方法引入时域资源预留模块，将冲 突业务预留至资源预留模块中等待下一调度时隙进行调度，进一步在时域降低带宽阻塞率。 本发明提供一种联合资源预留与串扰避免的空分复用弹性光网络全光分层节点冲突解决策 略，能够有效降低全光分层节点内的业务带宽阻塞率和平均延迟。本发明对支持大量数据业 务在空分复用弹性光网络全光节点中高性能传输具有重要意义，同时，基于有限频谱转换器 和资源预留的全光分层节点结构结合冲突解决算法给运营商提供了一种少配置光器件也能实 现高网络性能的效益思路。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合图对本发明作优选的详细 描述，其中：
图1为空分复用弹性光网络分层全光节点结构图；
图2为模式-频谱串扰辅助图；
图3为基于滑动窗的频谱块资源衡量算法；
图4为基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法流程图；
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。
如附图1所示，为空分复用弹性光网络分层全光节点结构，所有业务在该全光分层节点 上进行交换。空分复用弹性光网络分层全光节点结构有N个输入/输出端口，每个端口内有1 根纤芯，每根纤芯内有M种模式传输业务。当业务到达节点交换端口，控制模块根据业务的 目的端口在该分层全光节点结构的第一层进行N×N全连接模式的频谱空间交换。若业务因 竞争相同频谱资源而导致冲突时，控制模块将冲突业务切换至由共享有限频谱转换器池和资 源预留池组成的全光分层节点结构第二层中进行调度，第二层根据冲突解决算法，将冲突业 务在频谱转换范围内进行频谱转换，或是将业务预留一定时隙再调度。
不同模式的相同频谱被业务占用将产生模式串扰问题，模式串扰问题严重影响业务传输 性能。为了进一步优化模式串扰问题，本文基于模式串扰和频谱占用情况构造模式-串扰辅助 图，每一个模式-频谱块(Mode Spectrum,MS)由2部分组成，分别是模式串扰值(Cross-talk Value, CV)和频谱占用(Spectrum Occupied,SO)情况，如式(1)所示，MS有2个下标k和f，分别代表 模式和频隙索引值，MS由CV和SO数值表示，其中，式(1)中的SO为布尔变量，表示频隙 是否被占用，若被占用，SO＝1；否则，SO＝0；CV为频隙的串扰值，为了简便，本文为不同 模式之间的串扰值CV设置惩罚值1，如式(2)所示。
如附图2所示，MS1,1＝{2,1}表示模式LP01中模式1的频隙1串扰值CV＝2，且模式LP01 中频隙1被占用，即SO＝1。不同模式的信号之间存在串扰，即LP01、LP21和LP11之间存在模式间串扰；而相同模式的不同分组间不存在串扰，即LP11a和LP11b没有串扰、LP21a 和LP21b没有串扰。
MSk,f＝{CV,SO} k∈M,f∈F (1)
Figure BDA0002501358790000071
Figure BDA0002501358790000072
如附图3所示，为基于滑动窗的频谱块资源衡量算法。目的端口上的每个业务包含3个 参数，分别表示业务的模式分组、起始频隙和截止频隙，业务A和B所对应的模式和频谱均 空闲，将业务A和B拟分配频隙后，利用式(1-3)更新串扰辅助图，更新后的串扰辅助图如附 图3(a)所示。由于不同模式占用相同频谱才产生串扰，所以附图3(a-c)只显示了串扰改变区域。 给业务分配频隙后，所有频隙的串扰值需小于阈值，如式(4)所示，其中CV是串扰值，由式(2) 进行计算，而TH是串扰阈值，若满足式(4)，则该频谱可以分配给业务；否则，不能被分配。 若设TH＝4，由(2)计算得业务A和B的串扰值均为2，满足式(4)，则这样分配业务A和B的 频谱可行。
CV＜TH (4)
但是业务C所需模式和频谱由于已部分被占用，剩余空闲频谱块不满足频谱连续性约束， 所以，无可用频谱块分配给业务C，此时业务C产生频谱冲突，导致业务C被阻塞。
另外，在空分复用弹性光网络全光节点中，除了频谱资源不足导致传输业务被阻塞外， 还因频谱的串扰值过大，导致业务传输质量降低而被阻塞。因此，本文根据模式中频谱的串 扰和空闲情况，提出一个基于滑动窗的频谱块资源衡量算法降低业务阻塞率。该算法滑动搜 索所有模式和空闲频谱，其中滑动窗大小与有限频谱转换器的转换度有关，并在滑动搜索过 程中计算业务分配在模式k的频隙[i,j]资源值
Figure BDA0002501358790000081
如式(5)所示。
Figure BDA0002501358790000082
其中，Xf k是一个布尔变量，若模式k上的第f个频谱块被占用，Xf k＝1；否则，Xf k＝0，i和j分别是频谱块f的频隙索引起、止值，M是光纤中的模式分组总数，式(5)第一项分数的分子表示在频隙[i,j]之间的所有模式分组上的占用频谱，分子越大表明占用的频谱越多，分 母表示在频隙[i,j]的所有模式分组上的频谱容量。式(5)第一个分数表示在所有模式的频隙[i， j]的分配频谱占用比，该值越小，表明所有模式分组中，频隙[i,j]占用频谱较少，分配给业务 后引起的串扰值就较小。式(5)第一项的第二个因子是空闲频谱块占比情况，BLk free是模式k 中的空闲频谱块数量，BLk all是模式k中的所有频谱块总和，该比值越小，表明模式k的频隙 [i,j]分配给业务后，空闲频谱越集中，频谱碎片越小。
Figure BDA0002501358790000083
表明是否需要使用频谱选择开关 进行模式切换，若需要，
Figure BDA0002501358790000084
否则，
Figure BDA0002501358790000085
因此，式(5)表示在模式k的频隙[i,j]的频 谱占用情况和模式切换情况，该值越大，表明频隙[i,j]的频谱占用较多或是需要使用模式切 换解决业务冲突问题；当
Figure BDA0002501358790000086
值越小，表明模式k上频隙索引值为[i,j]的空闲频谱资源越充足， 模式间的串扰影响也较小。
对附图2中的冲突业务C，设置滑动窗RL＝2时进行上下、左右滑动搜索可用频谱块资源， 如附图3(a)和3(c)，根据式(5)计算
Figure RE-GDA0002670555970000088
值，得到的结果如表1所示。在表1中，设有限频谱转 换器的可用数量大于0，串扰阈值TH＝4，若
Figure RE-GDA0002670555970000089
则满足阈值要求，则最小
Figure RE-GDA00026705559700000810
值对应的 模式和频谱块就是转换模式和频谱。由表1可得：模式分组LP21a的频谱块[6,7]对应的
Figure RE-GDA00026705559700000811
值 最小，所以冲突业务C被转换到模式分组LP21a的频谱块[6,7]。
表4.1业务C冲突转换资源表
Figure BDA00025013587900000811
另一方面，业务D在滑动搜索中，没有连续的空闲频谱块可用，所以，业务D需要进入 资源预留模块，在下一时隙进行冲突调度。若累积预留时隙超过业务容忍的最大预留时隙， 就阻塞该业务，累计预留时隙的定义如式(6)所示，其中TN是冲突业务更新后的累计时隙，Tb是冲突业务路由中其他全光节点已预留的时隙，Dt是本轮缓存的预留时隙。
TN＝Tb+Dt (6)
下面将结合附图4详细说明本方法的执行过程：
步骤1：用Dijkstra算法为业务R计算一条从源全光节点到目的全光节点的最小代价路径， 并用首次命中算法为请求业务拟分配模式和频谱块，根据配置有限频谱转换器和预留模块的 全光分层全光节点结构中上的模式分组和频谱块，利用式(1-3)构造预处理模式-频谱串扰辅助 图，拟分配业务大到对应频谱后，再根据式(1-3)更新串扰辅助图；
步骤2：若有多个业务争用配置有限频谱转换器和预留模块的分层全光节点结构中相同 目的端口的相同模式-频谱，或目的端口的模式-频谱已经被占用时，转步骤4；否则，转步骤 3；
步骤3：若串扰值满足式(4)，记录R(k,i,j)值，预留时隙，转步骤10；否则，转步骤4；
步骤4：若有限频谱转换器数量为0，转步骤7；否则，转步骤5；
步骤5：在所有模式和转换频谱范围内，分别进行上、下和左、右滑动。若搜索到空闲 频谱，使得业务R分配该空闲频谱R(k,i,j)后满足式(4)，则将空闲频谱块R(k,i,j)放入集合
Figure BDA0002501358790000091
中，转步骤6；否则，转步骤7；
步骤6：在
Figure BDA0002501358790000092
资源块中，利用式(5)计算各资源块R(k,i,j)的
Figure BDA0002501358790000093
值，最小
Figure BDA0002501358790000094
对应的空闲 频谱块作为冲突业务的目的转换频谱，令有限频谱转换器的数量减1，记录R(k,i,j)，调度时 隙不变，转步骤10；
步骤7：进入资源预留模块，遍历所有时隙，执行步骤2-7，找到第一个可用的空闲时隙 Dt，记录可用资源R(k,i,j)模式-频谱值，根据式(6)更新预留时隙，转步骤8；否则，转步骤9；
步骤8：若业务R此时的累积预留时隙大于预留时隙最大值L，转步骤9；否则，记录业 务的R(k,i,j)和预留时隙Dt，转步骤10；
步骤9：输出失败业务的带宽，阻塞该业务，算法结束；
步骤10：输出成功传输业务的R(k,i,j)模式-频谱值、预留时隙Dt、有限频谱转换器的剩 余数量，算法结束。
一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决装置，该装置包括：
静态模块：空分复用弹性光网络分层全光节点结构有N个输入/输出端口，每个端口内有 1根纤芯和空分复用/解复用器，每根纤芯内有M种模式传输业务，该全光分层节点结构还配 置节点共享型有限频谱转换器和资源预留模块处理冲突业务，该全光分层节点结构中的控制 模块控制业务交换和冲突解决，空分复用弹性光网络全光分层节点结构分为2层，第一层对 业务进行N×N全连接模式的频谱空间交换，第二层根据冲突解决算法，将冲突业务在频谱 转换范围内进行频谱转换，或是将业务预留一定时隙再调度；
控制模块：当业务到达空分复用弹性光网络全光分层节点时，根据请求业务的输入信息， 确定业务的输出端口、光纤模式和占用频谱，然后业务在该全光分层节点结构第一层进行N ×N全连接模式的频谱空间交换，若业务因竞争相同频谱资源而导致冲突时，控制模块将冲 突业务切换至该全光分层节点结构第二层，在空-频域模块或时域资源预留模块解决冲突；否 则，业务在全光分层节点结构第一层正常交换；
空-频域模块：若节点可用的有限频谱转换器数量等于零，进入时域资源预留模块进行冲 突解决；否则，在纤芯的所有模式和频谱上滑动，根据频谱串扰和频谱占用情况构造模式- 频谱串扰辅助图，并且在滑动过程中找到若干大于或等于冲突业务频谱的空闲频谱块，放入 集合频谱选择(Spectrum Select,SS)中；依次计算若将冲突业务放在SS中的各空闲频谱块后的 频谱串扰值。计算各空闲频谱块后的频谱串扰值时，先根据模式频谱占用情况更新该频谱块 若占用后的模式-频谱串扰辅助图，计算占用该空闲频谱块的串扰值，若其值大于串扰阈值， 将该空闲频谱块从集合SS中删除，依次计算若将冲突业务放在更新后SS中各空闲频谱块的 频谱资源值，并选择集合SS中频谱资源值最小的空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块，若 存在多个频谱串扰值最小的空闲频谱块，则随机选择其中的一个空闲频谱块作为冲突业务的 转换频谱块；
时域资源预留模块：若空-频域模块不能解决业务冲突问题，根据首次命中原则，在资源 预留模块中为业务选择最少的预留时隙，然后计算该冲突业务从源全光节点至此全光分层节 点总预留的时隙，若总预留时隙小于业务容忍的时隙阈值，则对冲突业务进行时隙预留；否 则，阻塞该冲突业务。
所述静态模块，用于确定空分复用弹性光网络全光分层节点的端口数量、模式数量、纤 芯数量、配置有限频谱转换器和资源预留模块的方式、器件连接方式、业务到达该全光分层 节点结构时的调度方式。
所述控制模块，用于根据请求业务的输入信息，确定业务的输出端口、光纤模式和占用 频谱，在配置有限频谱转换器和预留资源的全光分层节点结构中进行交换；若目的端口上业 务需要占用的模式频谱空闲，则成功交换；否则，判定该业务产生频谱资源竞争冲突，需要 冲突解决算法调度该冲突业务。
所述空-频域模块，用于若业务产生频谱资源竞争冲突，遍历纤芯的所有模式和频谱，并 分别计算2个参数，分别表示串扰值和频谱的可用性；遍历纤芯的所有模式和频谱，若相邻 模式之间的相同频谱被占用，则第一个参数的串扰值加1；否则，第一个参数的串扰值不变； 遍历纤芯的所有模式和频谱，若频谱被占用，第二个参数的频谱可用性设为0；否则，频谱可 用性为1；若节点的可用有限频谱转换器数量等于零，则进入时域资源预留模块；否则，在 纤芯的所有模式和转换频谱范围内，分别进行模式和频谱的上、下和左、右滑动，在滑动过 程中，找到若干大于或等于冲突业务频谱的空闲频谱块，放入集合频谱选择(Spectrum Select, SS)中；依次计算若将冲突业务放在SS中的各空闲频谱块后的频谱串扰值。计算各空闲频谱 块后的频谱串扰值时，先根据S2更新该频谱块若占用后的模式-频谱串扰辅助图，计算占用 该空闲频谱块的串扰值，若其值大于串扰阈值，将该空闲频谱块从集合SS中删除，依此判断 各空闲频谱块的可用性；依次计算若将冲突业务放在更新后SS中各空闲频谱块的频谱资源 值，并选择集合SS中频谱资源值最小的空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块，若存在多个 频谱串扰值最小的空闲频谱块，则随机选择其中的一个空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱 块。
空闲频谱块的资源值计算公式：
Figure BDA0002501358790000111
在该式中，Xf k是一个布尔变量，若模式k上的第f个频谱块被占用，Xf k＝1；否则，Xf k＝0，i和j分别是频谱块f的频隙索引起、止值，M是光纤中的模式分组总数，BLk free是模式k中的空闲频谱块数量，BLk all是模式k中的所有频谱块总和，
Figure BDA0002501358790000112
表明是否需要使用频谱选择 开关进行模式切换，若需要，
Figure BDA0002501358790000113
否则，
Figure BDA0002501358790000114
所述时域资源预留模块，用于当空-频域模块不能解决业务冲突问题时，根据首次命中原 则，在资源预留模块中为业务选择最少的预留时隙，然后计算该冲突业务从源全光节点至此 分层全光节点总预留的时隙，若总预留时隙小于业务容忍的时隙阈值，则对冲突业务进行时 隙预留；否则，阻塞该冲突业务。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。

Claims (10)

1.一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：在全光分层节点结构中配置节点共享的有限频谱转换器和资源预留模块，在当前调度时隙内，根据请求业务的输入信息，确定业务的输出端口、光纤模式和占用频谱，并在该全光分层节点中进行交换；
S2：若业务在全光分层节点的输出端口因争用频谱而导致交换失败，则构造该冲突业务的模式-频谱串扰辅助图，转S3；否则，直接交换业务；
S3：若节点的可用有限频谱转换器数量等于零，转S4；否则，在纤芯的所有模式和有限频谱转换器的转换频谱范围内进行滑动，寻找全部可以容纳冲突业务的空闲频谱块，并计算若将冲突业务放在空闲频谱块后的频谱串扰值，若频谱串扰值大于串扰阈值，更新模式-频谱串扰辅助图，转S4；否则，计算所有空闲频谱块的频谱资源值，并选择频谱资源值最小的空闲频谱块转换业务的频谱；
S4：根据首次命中原则，在资源预留模块中选择可用时隙预留给冲突业务，计算该冲突业务的总预留时隙，若其值小于业务容忍的时隙阈值，则将冲突业务预留在资源预留模块中，等待下一时隙进行调度；否则，资源预留失败，阻塞该冲突业务。
2.如权利要求1所述的一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法，其特征在于：所述S1具体方法为：
S101：根据请求业务的输入信息，确定业务交换的目的端口、光纤模式和需要占用的频谱，在配置有限频谱转换器和预留资源模块的全光分层节点结构中进行交换；
S102：若目的端口上业务需要占用的模式和频谱空闲，则成功交换；否则，判定该业务产生频谱资源竞争冲突，需要冲突解决方法调度该业务。
3.如权利要求1所述的一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法，其特征在于：所述S2具体方法为：
S201：若业务产生频谱资源竞争冲突，遍历纤芯的所有模式和频谱，并分别计算2个参数，分别表示串扰值和频谱的可用性；
S202：遍历纤芯的所有模式和频谱，若相邻模式之间的相同频谱被占用，则第一个参数的串扰值加1；否则，第一个参数的串扰值不变；
S203：遍历纤芯的所有模式和频谱，若频谱被占用，第二个参数的频谱可用性设为0；否则，频谱可用性为1。
4.如权利要求1所述的一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法，其特征在于：所述S3具体方法为：
S301：若节点的可用有限频谱转换器数量等于零，转S4；否则，在纤芯的所有模式和转换频谱范围内，分别进行模式和频谱的上、下和左、右滑动，在滑动过程中，找到若干大于或等于冲突业务频谱的空闲频谱块，放入集合频谱选择(Spectrum Select,SS)中；
S302：依次计算若将冲突业务放在SS中的各空闲频谱块后的频谱串扰值。计算各空闲频谱块后的频谱串扰值时，先根据S2更新该频谱块若占用后的模式-频谱串扰辅助图，计算占用该空闲频谱块的串扰值，若其值大于串扰阈值，将该空闲频谱块从集合SS中删除，依此判断各空闲频谱块的可用性；
S303：依次计算若将冲突业务放在更新后SS中各空闲频谱块的频谱资源值，并选择集合SS中频谱资源值最小的空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块，若存在多个频谱串扰值最小的空闲频谱块，则随机选择其中的一个空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块。
空闲频谱块的资源值计算公式：
Figure FDA0002501358780000021
在该式中，Xf k是一个布尔变量，若模式k上的第f个频谱块被占用，Xf k＝1；否则，Xf k＝0，i和j分别是频谱块f的频隙索引起、止值，M是光纤中的模式分组总数，
Figure FDA0002501358780000022
是模式k中的空闲频谱块数量，BLk all是模式k中的所有频谱块总和，
Figure FDA0002501358780000023
表明是否需要使用频谱选择开关进行模式切换，若需要，
Figure FDA0002501358780000024
否则，
Figure FDA0002501358780000025
5.如权利要求1所述的一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决方法，其特征在于：所述S4具体方法为：
S401：若S3中所有空闲频谱的频谱串扰值均大于串扰阈值，或没有空闲频谱块可供冲突业务转换时，则使用资源预留模块解决业务冲突调度问题；
S402：根据首次命中原则，在资源预留模块中为冲突业务选择最少的预留时隙；
S403：计算该冲突业务从源全光节点至此全光分层节点总预留的时隙，若总预留时隙小于业务容忍的时隙阈值，则对冲突业务进行时隙预留；否则，阻塞该冲突业务。
6.一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决装置，其特征在于：该装置包括：
静态模块：空分复用弹性光网络分层全光节点结构有N个输入/输出端口，每个端口内有1根纤芯和空分复用/解复用器，每根纤芯内有M种模式传输业务，该全光分层节点结构还配置节点共享型有限频谱转换器和资源预留模块处理冲突业务，该全光分层节点结构中的控制模块控制业务交换和冲突解决，空分复用弹性光网络全光分层节点结构分为2层，第一层对业务进行N×N全连接模式的频谱空间交换，第二层根据冲突解决算法，将冲突业务在频谱转换范围内进行频谱转换，或是将业务预留一定时隙再调度；
控制模块：当业务到达空分复用弹性光网络全光分层节点时，根据请求业务的输入信息，确定业务的输出端口、光纤模式和占用频谱，然后业务在该全光分层节点结构第一层进行N×N全连接模式的频谱空间交换，若业务因竞争相同频谱资源而导致冲突时，控制模块将冲突业务切换至该全光分层节点结构第二层，在空-频域模块或时域资源预留模块解决冲突；否则，业务在全光分层节点结构第一层正常交换；
空-频域模块：若节点可用的有限频谱转换器数量等于零，进入时域资源预留模块进行冲突解决；否则，在纤芯的所有模式和频谱上滑动，根据频谱串扰和频谱占用情况构造模式-频谱串扰辅助图，并且在滑动过程中找到若干大于或等于冲突业务频谱的空闲频谱块，放入集合频谱选择(Spectrum Select,SS)中；依次计算若将冲突业务放在SS中的各空闲频谱块后的频谱串扰值。计算各空闲频谱块后的频谱串扰值时，先根据模式频谱占用情况更新该频谱块若占用后的模式-频谱串扰辅助图，计算占用该空闲频谱块的串扰值，若其值大于串扰阈值，将该空闲频谱块从集合SS中删除，依次计算若将冲突业务放在更新后SS中各空闲频谱块的频谱资源值，并选择集合SS中频谱资源值最小的空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块，若存在多个频谱串扰值最小的空闲频谱块，则随机选择其中的一个空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块；
时域资源预留模块：若空-频域模块不能解决业务冲突问题，根据首次命中原则，在资源预留模块中为业务选择最少的预留时隙，然后计算该冲突业务从源全光节点至此全光分层节点总预留的时隙，若总预留时隙小于业务容忍的时隙阈值，则对冲突业务进行时隙预留；否则，阻塞该冲突业务。
7.如权利要求6所述的一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决装置，其特征在于：所述静态模块，用于确定空分复用弹性光网络全光分层节点的端口数量、模式数量、纤芯数量、配置有限频谱转换器和资源预留模块的方式、器件连接方式、业务到达该全光分层节点结构时的调度方式。
8.如权利要求6所述的一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决装置，其特征在于：所述控制模块，用于根据请求业务的输入信息，确定业务的输出端口、光纤模式和占用频谱，在配置有限频谱转换器和预留资源的全光分层节点结构中进行交换；若目的端口上业务需要占用的模式频谱空闲，则成功交换；否则，判定该业务产生频谱资源竞争冲突，需要冲突解决算法调度该冲突业务。
9.如权利要求6所述的一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决装置，其特征在于：所述空-频域模块，用于若业务产生频谱资源竞争冲突，遍历纤芯的所有模式和频谱，并分别计算2个参数，分别表示串扰值和频谱的可用性；遍历纤芯的所有模式和频谱，若相邻模式之间的相同频谱被占用，则第一个参数的串扰值加1；否则，第一个参数的串扰值不变；遍历纤芯的所有模式和频谱，若频谱被占用，第二个参数的频谱可用性设为0；否则，频谱可用性为1；若节点的可用有限频谱转换器数量等于零，则进入时域资源预留模块；否则，在纤芯的所有模式和转换频谱范围内，分别进行模式和频谱的上、下和左、右滑动，在滑动过程中，找到若干大于或等于冲突业务频谱的空闲频谱块，放入集合频谱选择(SpectrumSelect,SS)中；依次计算若将冲突业务放在SS中的各空闲频谱块后的频谱串扰值。计算各空闲频谱块后的频谱串扰值时，先根据S2更新该频谱块若占用后的模式-频谱串扰辅助图，计算占用该空闲频谱块的串扰值，若其值大于串扰阈值，将该空闲频谱块从集合SS中删除，依此判断各空闲频谱块的可用性；依次计算若将冲突业务放在更新后SS中各空闲频谱块的频谱资源值，并选择集合SS中频谱资源值最小的空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块，若存在多个频谱串扰值最小的空闲频谱块，则随机选择其中的一个空闲频谱块作为冲突业务的转换频谱块。
空闲频谱块的资源值计算公式：
Figure FDA0002501358780000041
在该式中，Xf k是一个布尔变量，若模式k上的第f个频谱块被占用，Xf k＝1；否则，Xf k＝0，i和j分别是频谱块f的频隙索引起、止值，M是光纤中的模式分组总数，
Figure FDA0002501358780000042
是模式k中的空闲频谱块数量，BLk all是模式k中的所有频谱块总和，
Figure FDA0002501358780000043
表明是否需要使用频谱选择开关进行模式切换，若需要，
Figure FDA0002501358780000044
否则，
Figure FDA0002501358780000045
10.如权利要求6所述的一种基于串扰避免和资源预留的节点冲突解决装置，其特征在于：所述时域资源预留模块，用于当空-频域模块不能解决业务冲突问题时，根据首次命中原则，在资源预留模块中为业务选择最少的预留时隙，然后计算该冲突业务从源全光节点至此分层全光节点总预留的时隙，若总预留时隙小于业务容忍的时隙阈值，则对冲突业务进行时隙预留；否则，阻塞该冲突业务。
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