CN113692058A - 基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法及系统，方法包括：构建卫星弹性光网络；根据介数中心性计算所述卫星弹性光网络中各条链路的边介数；获取业务请求列表中的业务请求；根据所述业务请求的节点对之间的传输距离和请求带宽确定业务请求所需频隙数；根据所述业务请求所需频隙数确定候选路径；根据所述候选路径确定频谱资源估计集合；根据所述频谱资源估计集合和所述边介数确定评估指标；根据所述评估指标确定可用频谱资源列表；根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配。本发明能够提高卫星弹性光网络的频谱利用率。

Description

基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，特别是涉及一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法及系统。

背景技术

卫星通信是指地球上的通信站之间利用人造地球卫星作为中继转发的一种通信方式。自人造地球卫星被应用到远距离通信以来，卫星通信技术一直都是实现跨区域远距离通信传输的重要方式，也是各国发展国防通信力量的重要手段之一。卫星弹性光网络中，随着业务的到达和离开，网络中会产生部分无法被后续业务所利用的频谱碎片。一般情况下，卫星网络中的通信载波都是工作在微波波段，而光通信技术具有高传输速率、高安全性以及高可靠性等优点，且近年来相关技术不断成熟，使得卫星通信因为使用微波通信而带来的诸多问题有了新的解决思路。随着弹性光网络的出现，网络中的光谱资源就由固定大小的波长变成了更细粒度的频谱槽，切割机制也更富有弹性，更加动态灵活，常规的路由波长分配问题也转变为路由频谱分配问题。对于弹性光网络来说，业务的动态到达和持续时间结束后的陆续离开，都会导致网络中光路不断地重建和拆除，从而造成严重的光谱碎片化问题，当可用的频隙不能满足业务的带宽需求时，就会导致该业务请求被拒绝，也称为阻塞。当阻塞率过高时，则说明网络的通信性能较差。因此，为了解决动态业务而导致的频谱碎片问题，目前主流的解决思路有两种，一种是碎片整理，即重新调整已经建立的光路的频谱，把网络中分散的空闲频隙更好地利用起来；另一种思路则是在业务到来时，在其频谱分配的过程中进行优化改造，从而避免在网络中不断出现新的频谱碎片，以此提高网络的通信性能。近几年，国内外将频谱灵活光网络的动态频谱分配算法作为了重要的研究点，但是大多数的研究都基本集中在地面弹性光网络，应用于卫星上的研究还较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法及系统，以提高卫星弹性光网络的频谱利用率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法，包括：

构建卫星弹性光网络；

根据介数中心性计算所述卫星弹性光网络中各条链路的边介数；

获取业务请求列表中的业务请求；

根据所述业务请求的节点对之间的传输距离和请求带宽确定业务请求所需频隙数；

根据所述业务请求所需频隙数确定候选路径；

根据所述候选路径确定频谱资源估计集合；

根据所述频谱资源估计集合和所述边介数确定评估指标；

根据所述评估指标确定可用频谱资源列表；

根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配。

可选的，所述根据所述业务请求所需频隙数确定候选路径，具体包括：

根据所述业务请求所需频隙数利用KSP算法确定最短传输路径；

将所述最短传输路径进行拼接，构建候选路径。

可选的，所述评估指标的计算公式为：

其中，P_assess表示评估指标，∑s_free表示空闲频隙总数，K表示空闲频隙块的总个数，C_link(index)表示索引为index的链路的边介数值。

可选的，所述根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配，具体包括：

获取所述可用频谱资源列表中的频隙总数；

根据所述频隙总数和所述业务请求所需频隙数确定所述业务请求分配的频谱块。

可选的，所述根据所述频隙总数和所述业务请求所需频隙数确定所述业务请求分配的频谱块，具体包括：

判断两倍保护槽个数与每一频谱块的频隙总数之和是否大于或者等于所述业务请求所需频隙数；若是，则确定所述业务请求分配频谱块；若否，则确定所述业务请求失败，更新业务阻塞数量。

可选的，所述根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配，之后还包括：

更新所述可用频谱资源列表中的频隙占用状态和所述业务请求列表。

一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配系统，包括：

构建模块，用于构建卫星弹性光网络；

边介数确定模块，用于根据介数中心性计算所述卫星弹性光网络中各条链路的边介数；

获取模块，用于获取业务请求列表中的业务请求；

业务请求所需频隙数确定模块，用于根据所述业务请求的节点对之间的传输距离和请求带宽确定业务请求所需频隙数；

候选路径确定模块，用于根据所述业务请求所需频隙数确定候选路径；

频谱资源估计集合确定模块，用于根据所述候选路径确定频谱资源估计集合；

评估指标确定模块，用于根据所述频谱资源估计集合和所述边介数确定评估指标；

可用频谱资源列表确定模块，用于根据所述评估指标确定可用频谱资源列表；

频谱资源分配模块，用于根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配。

可选的，所述候选路径确定模块，具体包括：

最短传输路径确定单元，用于根据所述业务请求所需频隙数利用KSP算法确定最短传输路径；

拼接单元，用于将所述最短传输路径进行拼接，构建候选路径。

可选的，所述评估指标的计算公式为：

其中，P_assess表示评估指标，∑s_free表示空闲频隙总数，K表示空闲频隙块的总个数，C_link(index)表示索引为index的链路的边介数值。

可选的，所述频谱资源分配模块，具体包括：

频隙总数确定单元，用于获取所述可用频谱资源列表中的频隙总数；

频谱块确定单元，用于根据所述频隙总数和所述业务请求所需频隙数确定所述业务请求分配的频谱块。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法及系统，通过频谱资源评估集合和边介数确定的评估指标，来避开可能拥堵的链路，达到降低业务阻塞率的目的。并根据可用频谱资源列表和业务请求所需频隙数进行频谱资源分配，提高分配的精确度，从而提高卫星弹性光网络的频谱利用率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法流程图；

图2为LSRA-RSA算法模块构成图；

图3为边介数计算流程图；

图4为LSRA-RSA算法流程图；

图5为本发明提供的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配系统示意图。

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做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。

本发明的目的是提供一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法及系统，以提高卫星弹性光网络的频谱利用率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法，包括：

步骤101：构建卫星弹性光网络。

步骤102：根据介数中心性计算所述卫星弹性光网络中各条链路的边介数。

步骤103：获取业务请求列表中的业务请求。

步骤104：根据所述业务请求的节点对之间的传输距离和请求带宽确定业务请求所需频隙数。

步骤105：根据所述业务请求所需频隙数确定候选路径。步骤105，具体包括：

根据所述业务请求所需频隙数利用KSP算法确定最短传输路径。

将所述最短传输路径进行拼接，构建候选路径。

步骤106：根据所述候选路径确定频谱资源估计集合。

步骤107：根据所述频谱资源估计集合和所述边介数确定评估指标。其中，所述评估指标的计算公式为：

其中，P_assess表示评估指标，∑s_free表示空闲频隙总数，K表示空闲频隙块的总个数，C_link(index)表示索引为index的链路的边介数值。

步骤108：根据所述评估指标确定可用频谱资源列表。

步骤109：根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配。

其中，步骤109，具体包括：

获取所述可用频谱资源列表中的频隙总数。

根据所述频隙总数和所述业务请求所需频隙数确定所述业务请求分配的频谱块。所述根据所述频隙总数和所述业务请求所需频隙数确定所述业务请求分配的频谱块，具体包括：判断两倍保护槽个数与每一频谱块的频隙总数之和是否大于或者等于所述业务请求所需频隙数；若是，则确定所述业务请求分配频谱块；若否，则确定所述业务请求失败，更新业务阻塞数量。

其中，步骤109，之后还包括：更新所述可用频谱资源列表中的频隙占用状态和所述业务请求列表。

本发明以传统的卫星光网络频谱分配方案为研究背景，对频谱分配方案中的链路评价指标进行了优化改进，区别于传统星上频谱分配方案的特点是：为每一条候选链路维护一个链路频谱资源评估集合，集合中含有三个参数分别是空闲资源评估指标和最大、最小连续空闲频谱个数能多维度地对频谱资源进行评估，并引入链路介数来避开可能拥堵的链路，达到降低业务阻塞率的目的。

综上所述，本发明提供了一种减少频谱碎片的产生，提高的频谱利用率的动态频谱分配方法，其中包括基于频谱资源评估集合的卫星弹性光网络RSA算法(LSRA-RSA)。步骤如下：

1)在业务请求到来时，根据源节点和目的节点的传输距离选择不同的调制格式并为其计算所需的频隙总数；之后将为本次请求计算最短传输路径并形成链路收敛集，并为每一个候选链路维护SRA集合。

2)根据集合中的最大最小连续空闲频谱个数先进行判断，首先淘汰掉不符合业务需求的候选链路，之后将对集合中的邻接程度根据步骤107的邻接度计算公式进行排序对比，为本次业务请求选择一条最优链路L_i，并遍历链路L_i中空闲的频隙资源，形成一个可用频谱资源列表，简称为ASR列表。

3)若当前业务成功获得了相匹配的频谱资源，则需要更新频谱资源的占用情况。以ASR列表中的索引下标index为循环的起始值，逐个更新频隙的占用状态。若当前业务请求失败，则更新业务阻塞数量即可，并把当前业务从业务请求列表中删去。

将卫星弹性光网络建模为一个三元组并简记为G(V,E,S)，其中V代表所有的卫星节点，E代表网络中的通信链路，S代表每条链路上的频率隙集合。设网络中总共有N个卫星节点，星间链路总数为L，每条链路上有F个频率隙。LSRA-RSA算法可简略分为三个模块，如图2所示：

1：根据介数中心性计算网络中各条链路的边介数值，以评估该条链路在全局卫星网络的重要程度。

2：根据源节点和目的节点，通过K条最短路径算法(KSP)为本次请求计算出K条最短路径。

3：根据路由计算结果和业务带宽需求进行频谱分配。

以上三个模块将在之后的文本中进行详细介绍：

卫星网络的边介数计算过程如图3所示。其中各步骤分别代表以下过程：

201：

令C_link(l)表示链路l的节点介数，g_jk(l)表示通过链路l的最短路径的数目，g_jk表示最短路径的数目。根据链路介数的计算公式

计算出卫星网络中各条链路的边介数。

之后将根据业务需求进行路由计算与频谱分配，LSRA-RSA算法具体流程如图4所示：

其中各步骤分别代表以下过程：

301：此步骤将对业务模型进行初始化配置，假设每个服务请求到达此网络是一个随机发生的事件，服务以恒定的速率λ随机出现在网络中，且相互独立，服从泊松分布；为了保证业务类型的多样性，每次请求的节点对都是任意变化的，并且每个请求的保持时长服从参数为μ的指数分布；业务请求带宽是介于最大带宽和最小带宽之间的随机数。此处的业务模型为业务请求处理所需要使用的数据模型，采用的是经典的业务到达模型，业务到达率服从参数为λ的泊松分布，λ是单位时间内平均业务请求数，业务请求的保持时间服从指数分布；业务请求带宽是介于最大带宽和最小带宽之间的随机数；而业务请求列表R指的是每一个请求汇总形成的请求集。初始化配置之后R包含所有的业务请求。

302：设BPSK模式下的最远传输距离为max_distance，业务请求列表中的业务请求的节点对之间的传输距离为distance，请求带宽为bandwith：

若distance≤max_distance/16，则业务请求所需频隙数的计算方式为bandwith/62.5，调制格式为“32-QAM”。

若distance≤max_distance/8，则业务请求所需频隙数的计算方式为bandwith/50，调制格式为“16-QAM”。

若distance≤max_distance/4，则业务请求所需频隙数的计算方式为bandwith/37.5，调制格式为“8-QAM”。

若distance≤max_distance/2，则业务请求所需频隙数的计算方式为bandwith/25，调制格式为“QPSK”。

若distance≤max_distance，则业务请求所需频隙数的计算方式为bandwith/12.5，调制格式为“BPSK”。

当业务请求的源节点与目的节点之间的距离超过max_distance时，即超过了BPSK的最大传输范围，则认为业务被阻塞。最终计算所得的频隙数向上取整，即为最终值。业务请求所需频隙数即为最终值。

针对303所述步骤，将采用KSP算法为业务请求计算最短K条传输路径。KSP算法的执行过程如下：

在算法运行的初始阶段，为节点对(s，d)计算第1条最短路径，s代表本次请求的源节点，d代表目的节点，然后在此基础上依次算出其他的K-1条路径。在求解第i+1条路径时，将已得到的第i条路径上的所有中间节点都看作“偏离节点”，并计算任一中间节点到节点d的最短路径，之后再截取第i条路径上源节点到这些“偏离节点”的路径，并将截取到的路径与所求的偏离节点与目的节点之间的最短路径进行拼接，构成最终的候选路径。之后，将到达的业务请求的开始时间、结束时间、源节点、目的节点、请求带宽以及本次业务请求的传输路径加入到业务请求集R当中。

304：为了减少频谱碎片的产生，提高频谱利用率，将为候选链路维护一个频谱资源评估(Link Spectrum Resource Assessment)集合，简称为LSRA集合，基于链路的LSRA集合能够对空闲频隙的邻接程度和剩余频隙资源进行更为准确地评估。LSRA集合由邻接程度和最大最小连续空闲频谱个数组成。此外，因为链路的介数值越高，则代表网络中越多的请求会途径此链路，此链路将会承担更多的业务流量，此链路上空闲频隙数可能越少；由此，我们将链路介数考虑到链路评估当中。评估指标P_assess的具体计算公式为

其中∑s_free代表空闲频隙总数，K代表空闲频隙块的总个数，C_link(index)代表索引为index的链路的边介数值。因此，候选链路的边介数越大，该链路的P_assess值会响应地被削弱。

305：选取评估指标中值大的确定为最终的链路，基于步骤304评选出最终的链路之后，将为该条链路维护一个可用频谱资源列表(Available Spectrum Resources)，简称为ASR列表。ASR列表中包括了两个参数，分别是处于闲暇状态的频谱块所含频谱槽之和，以及该段频谱块开始的下标索引，ASR列表的长度即为该条链路中尚待分配频谱块的总个数。在进行空闲频谱块选择时，首先会遍历ASR列表中的每一个频谱块的频隙总数m，并与业务所需的频隙个数n进行比较，若有m+2×保护槽个数＝n，则停止搜索，直接为业务分配此空闲频谱块；若ASR列表中没有正好符合业务需求的频谱块，则选择第一个能够满足业务需求的频谱块，即满足：m+2×保护槽个数＞n的约束条件。其中，保护槽即为频谱槽。

303中的候选路径指的是KSP算法执行过程中，将中间节点到目的节点d之间的最短路径与源节点s到此中间节点的路径进行拼接，从而得到的多条候选路径。如表1所示，假设已求得第一条最短路径p1。

表1候选路径拼接过程表

303中的业务请求的传输路径，指的是利用KSP算法得到的K条最短路径，如表2-3所示：

表2最短路径拼接候选列表

从集合B中选出路径θ->2->4-5(7)移除，并加入集合A中，作为P2。

表3最终候选列表

已找到的最短路径列表(A)	候选列表(B)
		P1:0→2→3→5(5)	0→1→3→5(8)
P2:0→2→4→5(7)	0→2→3→4→5(8)

304中的候选链路更准确地表述为链路收敛集中的链路；例如本次传输路径为1-3-9-7，链路收敛集就包括链路1-3，链路3-9，链路9-7。

305：若当前业务成功获得了相匹配的频谱资源，则需要更新频谱资源的占用情况。以ASR列表中的索引下标index为循环的起始值，逐个更新频隙的占用状态，将频隙值从0置为1，表示当前频隙已被业务占用。

306：若当前业务请求失败，则更新业务阻塞数量即可，并把当前业务从业务请求列表R中删去。

本发明提出一种基于频谱资源评估集合的卫星弹性光网络RSA算法，可以为业务更为精确地进行频谱分配，减少频谱碎片的产生，提高卫星弹性光网络的频谱利用率。

如图5所示，本发明提供的一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配系统，包括：

构建模块501，用于构建卫星弹性光网络。

边介数确定模块502，用于根据介数中心性计算所述卫星弹性光网络中各条链路的边介数。

获取模块503，用于获取业务请求列表中的业务请求。

业务请求所需频隙数确定模块504，用于根据所述业务请求的节点对之间的传输距离和请求带宽确定业务请求所需频隙数。

候选路径确定模块505，用于根据所述业务请求所需频隙数确定候选路径。其中，所述候选路径确定模块505，具体包括：

最短传输路径确定单元，用于根据所述业务请求所需频隙数利用KSP算法确定最短传输路径。

拼接单元，用于将所述最短传输路径进行拼接，构建候选路径。

频谱资源估计集合确定模块506，用于根据所述候选路径确定频谱资源估计集合。

评估指标确定模块507，用于根据所述频谱资源估计集合和所述边介数确定评估指标。其中，所述评估指标的计算公式为：

其中，P_assess表示评估指标，∑s_free表示空闲频隙总数，K表示空闲频隙块的总个数，C_link(index)表示索引为index的链路的边介数值。

可用频谱资源列表确定模块508，用于根据所述评估指标确定可用频谱资源列表。

频谱资源分配模块509，用于根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配。

其中，所述频谱资源分配模块509，具体包括：

频隙总数确定单元，用于获取所述可用频谱资源列表中的频隙总数。

频谱块确定单元，用于根据所述频隙总数和所述业务请求所需频隙数确定所述业务请求分配的频谱块。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法，其特征在于，包括：

构建卫星弹性光网络；

根据介数中心性计算所述卫星弹性光网络中各条链路的边介数；

获取业务请求列表中的业务请求；

根据所述业务请求的节点对之间的传输距离和请求带宽确定业务请求所需频隙数；

根据所述业务请求所需频隙数确定候选路径；

根据所述候选路径确定频谱资源估计集合；

根据所述频谱资源估计集合和所述边介数确定评估指标；

根据所述评估指标确定可用频谱资源列表；

根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配。

2.根据权利要求1所述的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法，其特征在于，所述根据所述业务请求所需频隙数确定候选路径，具体包括：

根据所述业务请求所需频隙数利用KSP算法确定最短传输路径；

将所述最短传输路径进行拼接，构建候选路径。

3.根据权利要求1所述的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法，其特征在于，所述评估指标的计算公式为：

其中，P_assess表示评估指标，∑s_free表示空闲频隙总数，K表示空闲频隙块的总个数，C_link(index)表示索引为index的链路的边介数值。

4.根据权利要求1所述的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法，其特征在于，所述根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配，具体包括：

获取所述可用频谱资源列表中的频隙总数；

根据所述频隙总数和所述业务请求所需频隙数确定所述业务请求分配的频谱块。

5.根据权利要求4所述的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法，其特征在于，所述根据所述频隙总数和所述业务请求所需频隙数确定所述业务请求分配的频谱块，具体包括：

判断两倍保护槽个数与每一频谱块的频隙总数之和是否大于或者等于所述业务请求所需频隙数；若是，则确定所述业务请求分配频谱块；若否，则确定所述业务请求失败，更新业务阻塞数量。

6.根据权利要求1所述的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配方法，其特征在于，所述根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配，之后还包括：

更新所述可用频谱资源列表中的频隙占用状态和所述业务请求列表。

7.一种基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配系统，其特征在于，包括：

构建模块，用于构建卫星弹性光网络；

边介数确定模块，用于根据介数中心性计算所述卫星弹性光网络中各条链路的边介数；

获取模块，用于获取业务请求列表中的业务请求；

业务请求所需频隙数确定模块，用于根据所述业务请求的节点对之间的传输距离和请求带宽确定业务请求所需频隙数；

候选路径确定模块，用于根据所述业务请求所需频隙数确定候选路径；

频谱资源估计集合确定模块，用于根据所述候选路径确定频谱资源估计集合；

评估指标确定模块，用于根据所述频谱资源估计集合和所述边介数确定评估指标；

可用频谱资源列表确定模块，用于根据所述评估指标确定可用频谱资源列表；

频谱资源分配模块，用于根据所述可用频谱资源列表和所述业务请求所需频隙数进行频谱资源分配。

8.根据权利要求7所述的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配系统，其特征在于，所述候选路径确定模块，具体包括：

最短传输路径确定单元，用于根据所述业务请求所需频隙数利用KSP算法确定最短传输路径；

拼接单元，用于将所述最短传输路径进行拼接，构建候选路径。

9.根据权利要求7所述的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配系统，其特征在于，所述评估指标的计算公式为：

其中，P_assess表示评估指标，∑s_free表示空闲频隙总数，K表示空闲频隙块的总个数，C_link(index)表示索引为index的链路的边介数值。

10.根据权利要求7所述的基于频谱资源评估集合的卫星光网络频谱分配系统，其特征在于，所述频谱资源分配模块，具体包括：

频隙总数确定单元，用于获取所述可用频谱资源列表中的频隙总数；

频谱块确定单元，用于根据所述频隙总数和所述业务请求所需频隙数确定所述业务请求分配的频谱块。

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