CN112995805B - 一种eon中基于路径空闲度的路由和频谱分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种EON中基于路径空闲度的路由和频谱分配方法，首先，找到从源节点到目的节点的所有可用的并且满足RSA约束条件的前k条最短路径；其次，将拓扑中前k条最短路径中的空闲频谱块遍历后标记出来，分别使用频谱块权重和链路权重计算公式以计算出前k条最短路径的路径空闲度；然后，比较k条最短路径的路径空闲度，找到k条路径中空闲度小且路径短的路径；并采用First‑Fit算法来分配频谱资源；最后，继续判断下一个任务。本发明相比传统的最短路径RSA算法可以减少带宽阻塞率，提高频谱资源利用率，并且保留路径空闲度大的路径，为后续的业务提供更多可用的、完整的频谱资源。

Description

一种EON中基于路径空闲度的路由和频谱分配方法
技术领域
本发明属于弹性光网络、路由和频谱分配技术领域，具体提出一种EON中基于路径空闲度的路由和频谱分配方法。
背景技术
近年来，随着物联网(Internet of Things，IoT)，云计算和5G等技术的迅速普及，种类和数量迅猛增长的各种新业务和新应用对网络流量的需求保持了旺盛的状态。作为信息通信网络基础设施的光网络，不断被要求同时具有更高容量和更为灵活的服务提供能力。传统的波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)已经在骨干网和城域网中得到了广泛的应用，但WDM网络固有的固定网格频谱分配和粗频谱粒度导致频谱利用率低下，无法满足差异化的传输带宽需求和灵活的服务类型。因此，将光正交频分复用(OpticalOrthogonal Frequency Division Multiplexing，OOFDM)技术引入并提出的弹性光网络(Elastic Optical Networks，EON)得到了广泛的重视，其可以支持灵活的网络业务需求。路由和频谱分配(Routing and Spectrum Assignment Algorithm，RSA)是EON中最重要的问题之一，其用于为到达的业务需求计算路径并分配合适的频谱资源。学术界普遍认为，如何提高RSA算法效率和解决频谱碎片问题是EON能否大规模推广的关键。Hsu等人在分层图模型的基础上提出了两种启发式算法LG-FF和LG-SP，该算法可以提高阻塞概率性能，同时减少计算时间。Chen等人提出了一种评估动态网络资源的方法，该方法用于评估频谱资源对传入流量需求的适应能力。仿真结果表明，该方法在降低计算复杂度方面具有优异的性能。Wan等人提出了光网络中支持比特率灵活路由的动态路由和频谱分配算法，并取得了较好的效果。总的来看，现阶段大多数工作主要专注于新到达业务的频谱带宽需求，而忽略了链路的带宽承载能力和已经占用的频谱块分布情况，易导致业务分配时出现拥塞或频谱碎片情况。
发明内容
发明目的：本发明提出一种EON中基于路径空闲度的路由和频谱分配方法，不仅可以降低网络的阻塞率，还能够提高频谱资源利用率。
发明内容：本发明所述的一种EON中基于路径空闲度的路由和频谱分配方法，具体包括以下步骤：
(1)找到从源节点到目的节点的所有可用的并且满足RSA约束条件的前k条最短路径；
(2)将拓扑中前k条最短路径中的空闲频谱块遍历后标记出来，分别使用频谱块权重和链路权重计算公式以计算出前k条最短路径的路径空闲度；
(3)比较k条最短路径的路径空闲度，找到k条路径中空闲度小且路径短的路径；并采用First-Fit算法来分配频谱资源；
(4)继续判断下一个任务，如果有未分配的任务，则跳转到步骤(2)；如果没有，则结束程序。
进一步地，步骤(1)所述的RSA约束条件包括频谱一致性、频谱连续性和频谱邻连性。
进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：
(21)单个连续可用频谱块的权重定义为αB(n)：
Figure GDA0003682746520000021
其中，PBlock(n,j)表示频谱块不同的占用情况的概率，表示为
Figure GDA0003682746520000022
n表示单个连续频谱块的总频隙数，j代表其中被占用的频隙个数；
(22)链路权重的计算如下：
Figure GDA0003682746520000023
其中，xk表示连续可用频谱块中的频隙数(k＝1,2,…,m)，Le代表链路权重；M表示单条路径的频隙总数；αB(xk)表示单个连续可用的频谱块的权重；
(23)分别计算出每条路径的空闲度:
Figure GDA0003682746520000024
比较k条最短路径的路径空闲度，最终选择路径空闲度小且跳数少的路径；如果有空闲度相同的路径，则选择跳数少的；如果空闲度和跳数一样，则随机选择。
进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：
对k条路径的路径空闲度进行排序，得到路径空闲度小且跳数少的路径，将这条路径作为最终选择用来传输业务的路径；采用First-Fit算法选择传输业务的频谱位置，将整条链路上的频隙按照顺序编号，该编号称为索引值，然后按照索引值升序搜索该链路上的连续可用频隙，选择先找到的连续频谱建立连接请求；如果分配成功，则将已分配的频谱资源设为占用；如果分配不成功，则放弃该业务请求，网络阻塞增加1。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提出的基于路径空闲度的路由和频谱分配方案，引入路径空闲度的概念，在考虑高负载链路时，尽可能选择路径空闲度小且路径短的路径，可以减少网络中阻塞率，并且提高频谱资源利用率；并且保留路径空闲度大的路径，为后续的业务提供更多可用的、完整的频谱资源。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为单个连续频谱块的占用情况的示意图；
图3为频谱搬移示意图，其中(a)为一个频隙占用情况的状态示意图；(b)为两个频隙占用情况的状态示意图；
图4为链路权重示意图；
图5为由多条链路组成的示例网络拓扑的示意图；
图6为前k条较短路径的链路示意图，其中(a)为链路一表示图5中的路径1—>2—>4—>6链路图；(b)为图5中的路径1—>2—>5—>6链路图；(c)为表示图5中的路径1—>3—>5—>6链路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提出一种EON中基于路径空闲度的路由和频谱分配方法，在考虑链路可用的情况下，首先计算出可用链路的频谱块权重，再将其拓展到链路权重，进而得到可用路径的空闲度；其次比较k条最短路径的路径空闲度，找到所有可用路径中空闲度小且路径短的路径；最后采用First-Fit算法来分配频谱资源。该方法不仅可以降低网络的阻塞率，还能够提高频谱资源利用率。具体包括如下步骤：
步骤1：初始化网络，找到所有可用的并且满足RSA约束条件的前k条最短路径，并保存在网络中；初始化网络中的其他参数和业务序列。
根据到达的任务需求，基于Dijkstra算法找到从源节点到目的节点的所有可用的并且满足RSA约束条件的所有路径，并将前k条路径留下备用。RSA约束条件主要包括频谱一致性、频谱连续性和频谱邻接性。
步骤2：当有任务到来时，遍历所有路径，将拓扑中前k条最短路径中的空闲频谱块遍历后标记出来，分别使用频谱块权重和链路权重计算公式以计算出前k条最短路径的路径空闲度。
首先以单个连续可用频谱块为例，阐明频谱块权重的计算方法，单个连续可用频谱块的权重定义为αB(n)，其计算公式如下：
Figure GDA0003682746520000041
式中PBlock(n,j)表示频谱块不同的占用情况的概率，表示为
Figure GDA0003682746520000042
n表示单个连续频谱块的总频隙数，j代表其中被占用的频隙个数。假设一个典型的由三个频谱块组成的连续可用频隙，即n＝3，则单个连续频谱块的占用情况如图2所示。从图2中不难看出，频谱块的占用状态分别记为(a)、(b)、(c)、(d)，即分别占用0、1、2、3个频隙。每个频隙被占用的概率相同，即占用概率为0.5。不难看出，图2所示的四种占用状态的概率可以计算为
Figure GDA0003682746520000043
Figure GDA0003682746520000044
此外，图2中(b)和图2中(c)的占用状态分为以下三种情况，但可以通过频谱搬移统一记为一种状态，如图3所示，其中(a)为一个频隙占用情况的状态示意图，(b)为两个频隙占用情况的状态示意图。例如，图2中(b)表示：当3个空闲频隙中有1个被占用，从概率论的角度可能是1、2、3号位置分别被占用，但是根据RSA中频谱分配的连续性和占用时按照频隙索引值由低到高的要求，最后都统一为1号位置被占用；图2中(c)表示，当3个空闲频隙中有2个被占用，从概率论的角度可能是1和2、2和3、1和3号位置分别被占用，但是根据RSA中频谱分配的连续性和占用时按照频隙索引值由低到高的要求，最后都统一为1号和2号位置被占用。实际进行频谱分配的工作时不会出现需要频谱搬移的情况，这里仅仅是为了计算频谱分配时可能发生的概率。进一步地，可以得出单个连续可用频谱块的权重，如下式所示：
Figure GDA0003682746520000045
因此，上述单个连续可用频谱块的权重为1.5。
其次给出链路权重的计算方法，如上文所述，考虑到每个链路都包含几个可用频谱块，接下来将侧重于从单个连续可用频谱块推广到更一般的链路来计算其权重。以图4为例，链路中的频隙数记为m＝18，每个频隙分别标记为1,2,3，…，18，频隙集记为M＝{1,2,3,…,18}，其中对应的频隙位置定义为i,i∈M。
该链路由几个连续可用频谱块组成，计算结果如表1所示。
表1 链路中可用频谱块的权重
Figure GDA0003682746520000051
链路权重定义为：
Figure GDA0003682746520000052
其中xk表示连续可用频谱块中的频隙数(k＝1,2,…,m)，Le代表链路权重。由公式(3)可知，此时的链路权重为
Figure GDA0003682746520000053
最后根据链路权重的公式即可给出路径空闲度θ的表达式。从源节点到目的节点的一条路径由多条链路组成，将这些链路的频谱占用情况满足RSA准则，得到可用的频谱块情况，因此路径空闲度θ就是这些可用频谱块的加权和。由多条链路组成的网络拓扑的路径空闲度：
Figure GDA0003682746520000054
比较k条最短路径的路径空闲度，最终选择路径空闲度小且跳数少的路径。如果有空闲度相同的路径，则选择跳数少的。如果空闲度和跳数一样，则随机选择。
步骤3：路径选择完毕后，利用First-Fit的频谱分配方法为业务分配资源。如果分配成功，则将已分配的频谱资源设为占用；如果分配不成功，则放弃该业务请求，网络阻塞增加1。
根据步骤2的计算方法得到前k条路径的路径空闲度，对k条路径的路径空闲度进行排序，得到路径空闲度小且跳数少的路径，将这条路径作为最终选择用来传输业务的路径。接下来采用频谱分配算法里的First-Fit算法来选择传输业务的频谱位置，将整条链路上的频隙按照顺序编号，该编号称为索引值，然后按照索引值升序搜索该链路上的连续可用频隙，选择先找到的连续频谱建立连接请求。
步骤4：继续判断下一个任务，如果有未分配的业务，则跳转到步骤2；如果没有，则结束程序。
以图5的网络拓扑为例进行分析，首先初始化网络，找到所有可用的并且满足RSA约束条件的前3条最短路径，并保存在网络中；初始化网络中的其他参数和业务序列。针对图5的拓扑，可以得到如图6的三个路由方案，其中，(a)为图5中的路径1—>2—>4—>6链路图；(b)为图5中的路径1—>2—>5—>6链路图；(c)为表示图5中的路径1—>3—>5—>6链路图。当有业务到来时，遍历前3条路径。分别用公式(1)、(3)和(4)计算出路径(a)、(b)和(c)的路径空闲度：
(1)路径(a)的路径空闲度：
Figure GDA0003682746520000061
(2)路径(b)的路径空闲度：
Figure GDA0003682746520000062
(3)路径(c)的路径空闲度：
Figure GDA0003682746520000063
根据计算结果可以得到，路径(c)的路径空闲度最小，频谱块的碎片化程度最高，因此在网络拓扑负载较重的情况下，选择路径(c)可以减少网络阻塞，降低整个网络的阻塞率，提高频谱资源利用率。路径选择完毕后，利用First-Fit的频谱分配方法为业务分配资源。如果分配成功，则将已分配的频谱资源设为占用；如果分配不成功，则放弃该业务请求，网络阻塞增加1。继续判断下一个任务。

Claims (2)

1.一种EON中基于路径空闲度的路由和频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)找到从源节点到目的节点的所有可用的并且满足路由和频谱分配RSA约束条件的前k条最短路径；所述路由和频谱分配RSA约束条件包括频谱一致性、频谱连续性和频谱邻连性；
(2)将拓扑中前k条最短路径中的空闲频谱块遍历后标记出来，分别使用频谱块权重和链路权重计算公式以计算出前k条最短路径的路径空闲度；
(3)比较k条最短路径的路径空闲度，找到k条路径中空闲度小且路径短的路径；并采用First-Fit算法来分配频谱资源；
(4)继续判断下一个任务，如果有未分配的任务，则跳转到步骤(2)；如果没有，则结束程序；
所述步骤(2)实现过程如下：
(21)单个连续可用频谱块的权重定义为αβ(n)：
Figure FDA0003682746510000011
其中，PBlock(n,j)表示频谱块不同的占用情况的概率，表示为
Figure FDA0003682746510000012
n表示单个连续频谱块的总频隙数，j代表其中被占用的频隙个数；
(22)链路权重的计算如下：
Figure FDA0003682746510000013
其中，xk表示连续可用频谱块中的频隙数(k＝1,2,…,m)，Le代表链路权重；m为链路中的频隙数，M表示单条路径的频隙总数；αB(xk)表示单个连续可用的频谱块的权重；
(23)分别计算出每条路径的空闲度θ：
Figure FDA0003682746510000014
比较k条最短路径的路径空闲度，最终选择路径空闲度小且跳数少的路径；如果有空闲度相同的路径，则选择跳数少的；如果空闲度和跳数一样，则随机选择。
2.根据权利要求1所述的EON中基于路径空闲度的路由和频谱分配方法，其特征在于，所述步骤(3)实现过程如下：
对k条路径的路径空闲度进行排序，得到路径空闲度小且跳数少的路径，将这条路径作为最终选择用来传输业务的路径；采用First-Fit算法选择传输业务的频谱位置，将整条链路上的频隙按照顺序编号，该编号称为索引值，然后按照索引值升序搜索该链路上的连续可用频隙，选择先找到的连续频谱建立连接请求；如果分配成功，则将已分配的频谱资源设为占用；如果分配不成功，则放弃该业务请求，网络阻塞增加1。
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