CN1151625C - 波分复用光网络路由和波长分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波分复用(WDM)光网络路由和波长分配新方法，包括数字计算机，所述的数字计算机执行如下步骤：进行网络资源配置；计算光网络中任意两节点间路由，形成备用路由集合；按呼叫业务需求，从备用路由集合中取出该业务的所有相关备用路由按公式计算，并选取对网络资源造成影响最小的路由和波长分配给呼叫业务。按本发明进行的路由和波长分配有助于降低全网的阻塞率，改善公平性，大大提高全网性能。本发明主要用在波分复用光网络中对动态业务进行路由和波长的分配。

Description

波分复用光网络路由和波长分配方法

技术领域

本发明涉及一种光网络波长的分配方法，特别涉及波分复用光网络路由和波长分配的方法。

发明背景

密集波分复用技术极大推动了光网络技术的发展，光传送网络已经成为传送网的首选方案。在光传送网中，任意两节点对由一条或多条光纤相连，每条光纤可支持多个波长。节点能交叉连接输入和输出的光信道，能动态重构光网络。当客户层业务到达时，波分复用光网络需要给需要为每条业务分配路由和选择波长，建立光传送通道传送业务。由于目前光网络的可利用资源(波长/光纤等)有限，因此，如何在有限资源网络中为业务选择合适的路由和分配优化的波长将直接影响到网络的效率。路由和波长分配方法成为重要的研究课题。

波分复用(WDM)光网络的业务可以分为静态业务和动态业务。静态业务是指一组需要建立连接的业务需求是预知，而一旦业务建立，将“永久”维持连接关系。静态业务通常采用ILP(Integer Linear Programming)方法，静态业务的路由和波长分配方法通常是建网初始的规划方法，其优化目标是用最小的网络资源(光纤/波长)为静态业务建立光通道。动态业务是指业务的到达是按逐条方式随机到达，业务经历一段连接时间后将被拆除。动态业务的路由和波长分配通常在网络运行期间，其方法的优化目标通常是网络的阻塞概率(Blocking Probability)。因此，针对不同业务属性，可以采取不同的路由和波长选取策略。

目前，在路由和波长分配的解决方案中多将路由和波长分配问题拆分成两个子问题分开考虑，即先考虑路由问题，再考虑波长分配问题。对静态的路由和波长分配问题，待分配的业务需求已知，其优化目标主要是优化业务占用的网络资源(如使用波长数最小)。对动态的路由和波长分配问题，业务请求随机到达，其优化目标主要是减小网络的阻塞概率。路由问题通常是基于最短路径(Shortest Path)优先选取。其主要有基于固定路由和基于多条备用路由选取方案。波长分配问题又包括WS(Wavelength Select)和WI(WavelengthInterchanger)两种方案。WS方案是指在光网络中，为每条呼叫建立的光波长通道具有波长连续性。WI方案指光网络中为呼叫建立光通道的波长可以不连续。WI方案中需要波长变换器。

目前提出的波长分配方法法主要有以下几种：

假设每条链路支持的光纤数为F，每根光纤支持W波长，L(P)代表通路P的链路集合。L_c(l，λ)代表链路l上波长λ剩余的可用信道数。Pc(P，λ)代表通路P中不同链路上波长为λ的最小可用信道数，称为通路P上波长λ的瓶颈数。p^*为新到达的呼叫对应路由。A(p^*)代表p^*路由上对应的可用波长集。G(p^*)代表同通路p^*具有公共链路的路由集合。我们称通路p(p∈G(p^*))为通路p^*的相邻通路。

(1)首次命中(FF，First-Fit)法。该方法将波长在可用波长集中按固定顺序排列(如按波长由小到大顺序排列)，对新到达业务通路，每次选择波长时均从可用波长集中中按固定顺序选择可用波长。

(2)最大使用(MU，Most-Used)法。该方法统计全网中所有波长的使用率，选择波长使用率最大的可用波长。

(3)最小使用(LU，Least-Used)法。该方法同样统计全网的所有波长的使用率，并选择波长使用率最小的可用波长分配给新到达的呼叫对应路由。

(4)最大总和(MS，Max-Sum)法，该方法选择波长使得选择该波长后，全网的其它通路的剩余可用信道数总和最大。

(5)最小影响(LI，Least Influence)法，该方法选择波长满足选择该波长后，对全网其它通路的影响(对相关通路造成的瓶颈总和最小)，其优化目标函数为：

$\underset{p\∈G\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}\left(D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(P,\mathrm{\λ}))\right)$

其中：

(6)相对容量损失(RCL，Relative Capacity Loss)法，该方法选取的优化目标其优化目标函数为：

${\min }_{\mathrm{\λ}\∈A\left(p^{*}\right)}\underset{p\∈G\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}\frac{U\left(\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),p_c(p,\mathrm{\λ}))\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\λ}}{p}_c(p,\mathrm{\λ})}$

式中：U(A)为单位阶跃函数，当A＞0时取值为1，否则取值为0。

(7)相对最小影响(RLI，Relative lease Influence)法。该方法选择的优化目标函数为：

${\min }_{\mathrm{\λ}\∈A\left(P^{*}\right)}\underset{p\∈G\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(P^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\λ}}{P}_c(p,\mathrm{\λ})}$

式中D(L_c(l，λ)，P_c(P，λ))定义与(5)中的定义相同。

目前，已提出的方法中，虽然有各自的特点，但存在复杂度较高，性能不佳等缺点。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明提供一种复杂度低和性能好的波分复用光网络路由和波长分配新方法，

本发明包括数字计算机，所述数字计算机中存储有构建波分复用光网络的程序指令，所述的数字计算机执行如下步骤：

A、搜集网络中的所有节点；确定连接每两个节点间的光纤链路；确定所有光纤链路中包含的光纤数和每根光纤能够支持的波长的集合；

B、根据A步确定的网络中节点的连接关系，计算光网络中任意两节点间可能的路由，形成备用路由集合；

C、按呼叫业务需求，从上步的备用路由集合中取出该业务的所有相关备用路由，按下述步骤执行：

(1)按公式： $R_p(p^{*},\mathrm{\λ})=\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{P_c(p,\mathrm{\λ})}$

计算一条相关备用路由在分配某一支持波长下对一条相邻通路的容量影响值；

按公式： $R(p^{*},\mathrm{\λ})={\mathrm{\Σ}}_{p\∈G\left(p^{*}\right)}\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{P_c(p,\mathrm{\λ})}$

计算该条相关备用路由在分配上述波长时对网络资源的影响值；

按公式： ${\min }_{\mathrm{\λ}\∈A\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}_{p\∈G\left(p^{*}\right)}{R}_p(p^{*},\mathrm{\λ})={\min }_{\mathrm{\λ}\∈A\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}_{p\∈G\left(p^{*}\right)}\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{P_c(p,\mathrm{\λ})}$

选取每一条相关备用路由在分配不同的波长下对网络资源容量影响值中的最小值；

其中：

p表示通路；p^*为新到达的呼叫对应备用路由；λ表示波长；L(P)代表通路P的所有链路集合；L(p^*)代表新到达的呼叫对应备用路由上的所有链路集合；L_c(l，λ)代表链路l上波长λ剩余的可用信道数；P_c(P，λ)代表通路P上波长为λ的最小可用信道数，即通路P、波长λ的瓶颈；A(p^*)代表p^*路由上对应的可用波长集；G(p^*)代表同通路p^*具有公共链路的路由集合；在p∈G(p^*)集合中，p代表通路p^*的相邻通路；Rp(p^*，λ)为分配波长λ给通路p^*时，其对p^*相邻通路p造成的容量影响。

(2)将(1)所计算出的所有相关备用路由的最小容量影响值进行比较，从中选取最小值，并将其对应的路由及波长分配给所述的呼叫业务。

根据上述技术方案，步骤B所述的任意两节点间路由为一条备用路由，可通过弗洛伊德方法(Forld方法)或得克斯特拉方法(Dijkstra方法)对其计算。

根据上述技术方案，步骤B所述的任意两节点间路由为至少两条备用路由，可用得克斯特拉方法(Dijkstra方法)对其计算，或者通过弗洛伊德方法(Forld方法)和得克斯特拉方法(Dijkstra方法)结合计算。

根据上述技术方案，弗洛伊德方法(Forld方法)和得克斯特拉方法(Dijkstra方法)结合计算之步骤为：

先采用弗洛伊德方法(Forld方法)计算每对节点对间的一条最短路由；再采用得克斯特拉方法(Dijkstra方法)计算次短路由和再次短路由

本发明的方法采用按最小影响方法得到一个绝对的影响值，再将该值去除以受波长分配影响的通路的可用信道数从而得到一个最终作为判断对网络资源影响依据的相对影响值，因而能更精确地描述分配路由和波长给新业务对网络资源的影响，据此进行的路由和波长分配有助于降低全网的阻塞率，改善公平性，大大提高全网性能。

附图说明

图1为本发明的程序流程图。

具体实施方式

本发明包括数字计算机，在数字计算机中存储有建立波分复用光网络系统所必须的程序指令，在波分复用光网络中，为新到的呼叫业务分配对网络资源影响最小的路由和波长。

首先，考虑为新到达的业务对应的一条备用路由p^*分配波长λ时，对其相邻通路p的影响。定义通道p^*与其相邻通路p的公共链路为通路p^*与p的相关链路，只有相关链路的影响需要被考虑。当分配波长λ给p^*时，相关链路上的所有可用信道数减1，当某条相关链路在分配波长λ后，该链路成为p通路的瓶颈链路，则该条链路将对通路p的剩余可用信道产生影响。用1/P_c(p，λ)来描述一条链路成为瓶颈后，对网络产生的影响，称1/P_c(p，λ)为相对容量影响(RCIRelative Capacity Influence)因子。R_p(p^*，λ)为分配波长λ给通路p^*时，其对p^*相邻通路p造成的容量影响值，其计算公式为：

$R_p(p^{*},\mathrm{\λ})=\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{P_c(p,\mathrm{\λ})}---\left(1\right)$

其中：

通过公式(3)可计算每条相关备用路由在分配某一支持波长下对相邻通路的容量影响值；按下述公式：

$R(p^{*},\mathrm{\λ})={\mathrm{\Σ}}_{p\∈G\left(p^{*}\right)}\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{P_c(p,\mathrm{\λ})}---\left(2\right)$

计算所有相关备用路由在分配某一支持波长下对系统资源的影响值；

按公式：

${\min }_{\mathrm{\λ}\∈A\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}_{p\∈G\left(p^{*}\right)}{R}_p(p^{*},\mathrm{\λ})={\min }_{\mathrm{\λ}\∈A\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}_{p\∈G\left(p^{*}\right)}\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{P_c(p,\mathrm{\λ})}---\left(3\right)$

选取每一条该相关备用路由的容量影响值中的最小值；其中：p表示通路；p^*为新到达的呼叫对应备用路由；λ表示波长；L(P)代表通路P的所有链路集合；L(p^*)代表新到达的呼叫对应备用路由上的所有链路集合；L_c(l，λ)代表链路l上波长λ剩余的可用信道数；P_c(P，λ)代表通路P上波长为λ的最小可用信道数，即通路P、波长λ的瓶颈；A(p^*)代表p^*路由上对应的可用波长集；G(p^*)代表同通路p^*具有具有公共链路的路由集合；p(p∈G(p^*))为通路p^*的相邻通路；Rp(p^*，λ)为分配波长λ给通路p^*时，其对p^*相邻通路p造成的容量影响。

从上可以看出，当为新到达的业务对应的固定光通道p^*分配波长λ时，本发明考虑了不同波长λ间具有相同瓶颈链路的状况。

下面结合流程图对本发明进行详细说明：

参考图1：启动程序执行步骤100，本步骤对光网络资源进行配置，包括：确定网络中所有结点；确定所有结点间的连结关系；确定所有路由中包括的光纤数和每根光纤能够支持的波长。步骤105计算光网络中任意两节点间备用路由；备用路由是基于最短路由优先计算的，先采用弗洛伊德方法(Forld方法)计算每节点对间的一条最短路由，再采用弗洛伊德方法(Forld方法)计算次短路由和再次短路由。步骤110指一条待分配的动态业务K到达。步骤115为从105所得结果中搜索出新到达的待分配业务K的所有备用路由，形成备用路由集。步骤120从该业务的备用路由集中选取一条备用路由p^*(初始时指第一条备用路由)。步骤125从步骤105所得结果搜索网络中与上步选取的一条备用路由p^*有相关链路的所有可用相关备用路由，形成相关备用路由集G(p^*)；其中：相关备用路由是指有公共链路的两条路由。步骤130选取第λ个可用波长分配给业务K(初始时指第一个可用的波长)。步骤135选取相关备用路由集G(p^*)中的相关备用路由P，计算如果分配备用路由p^*和波长λ给业务K，对相关备用路由P造成的影响；造成的影响，用备用路由p^*和相关备用路由P这两条通路中的公共链路中，公共链路是相关备用路由P的瓶颈数目除以相关备用路由P的瓶颈值来表示，造成的影响值Rp(p^*，λ)的值由公式(1)计算出。步骤140判断相关备用路由集G(p^*)中的每一相关备用路由是否都已计算，如果判断是否定的则计数指针加1，即指向相关备用路由集G(p^*)中的下一条相关备用路由，并转到步骤135执行，如果判断是肯定的则执行步骤145。步骤145对所有Rp(p^*，λ)按公式(2)求和，得到R(p^*，λ)的值，即分配路由p^*、波长λ给K时对网络造成的影响。步骤150判断业务K的备用路由p^*上所有波长是否均已计算，如果判断是否定的则取下一支持波长，并转到步骤130执行，如果判断是肯定的则执行步骤155。步骤155比较不同波长的R(p^*，λ)值，按公式(5)取最小值，记录相应的波长λ和备用路由p^*。步骤160判断业务K的所有备用路由p^*是否都已计算，如果判断是否定的则取下一条备用路由并转到步骤120执行，如果判断是肯定的则执行步骤165。步骤165比较不同备用路由p^*的R(p^*，λ)，取其中的最小值，并将相应的备用路由和波长分配给业务K。步骤170则结束该次分配。

本实施例中的流程图中有3个大的循环，分别是：备用路由集p^*、波长集λ、相关链路集G(p^*)，3个循环嵌套，循环嵌套的顺序可变，具体关系为：波长集λ同备用路由集p^*、相关链路集G(p^*)无关，可以放在嵌套的任一位置，备用路由集p^*的循环大于相关链路集合G(p^*)，即必须是相关链路集合G(p^*)循环嵌套在备用路由集p^*循环中。

上述实施例仅为本发明较佳实施方式，然其并非用以限制本发明，任何在不脱离本发明精神下的改变，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种波分复用光网络路由和波长分配方法，包括数字计算机，所述数字计算机中存储有构建波分复用光网络的程序指令，其特征在于所述的数字计算机执行如下步骤：

A、搜集网络中的所有节点；确定连接每两个节点间的光纤链路；确定所有光纤链路中包含的光纤数和每根光纤能够支持的波长的集合；

B、根据A步确定的网络中节点的连接关系，计算光网络中任意两节点间可能的路由，形成备用路由集合；

C、按呼叫业务需求，从上步的备用路由集合中取出该业务的所有相关备用路由，按下述步骤执行：

(1)按公式： $R_p(p^{*},\mathrm{\λ})=\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{P_c(p,\mathrm{\λ})}$

计算一条相关备用路由在分配某一支持波长下对一条相邻通路的容量影响值；

按公式： $R(p^{*},\mathrm{\λ})={\mathrm{\Σ}}_{p\∈G\left(p^{*}\right)}\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{P_c(p,\mathrm{\λ})}$

计算该条相关备用路由在分配上述波长时对网络资源的影响值；

按公式： ${\min }_{\mathrm{\λ}\∈A\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}_{p\∈G\left(p^{*}\right)}{R}_p(p^{*},\mathrm{\λ})={\min }_{\mathrm{\λ}\∈A\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}_{p\∈G\left(p^{*}\right)}\frac{\underset{l\∈L\left(p\right)\∩L\left(p^{*}\right)}{\mathrm{\Σ}}D(L_c(l,\mathrm{\λ}),P_c(p,\mathrm{\λ}))}{P_c(p,\mathrm{\λ})}$

选取每一条相关备用路由在分配不同的波长下对网络资源容量影响值中的最小值；

其中：

p表示通路；p^*为新到达的呼叫对应备用路由；λ表示波长；L(P)代表通路P的所有链路集合；L(p^*)代表新到达的呼叫对应备用路由上的所有链路集合；L_c(l，λ)代表链路l上波长λ剩余的可用信道数；P_c(P，λ)代表通路P上波长为λ的最小可用信道数，即通路P、波长λ的瓶颈；A(p^*)代表p^*路由上对应的可用波长集；G(p^*)代表同通路p^*具有公共链路的路由集合；在p∈G(p^*)集合中，p代表通路p^*的相邻通路；Rp(p^*，λ)为分配波长λ给通路p^*时，其对p^*相邻通路p造成的容量影响；

(2)将(1)中计算出的所有相关备用路由的最小容量影响值进行比较，从中选取最小值，并将其对应的路由及波长分配给所述的呼叫业务。

2、根据权利要求1所述的波分复用光网络路由和波长分配新方法，其特征在于：步骤B所述的任意两节点间路由为一条备用路由，可通过弗洛伊德方法或得克斯特拉方法对其计算。

3、根据权利要求1所述的波分复用光网络路由和波长分配新方法，其特征在于：步骤B所述的任意两节点间路由为至少两条备用路由，可用得克斯特拉方法对其计算，或者通过弗洛伊德方法和得克斯特拉方法结合计算。

4、根据权利要求3所述的波分复用光网络路由和波长分配新方法，其特征在于：弗洛伊德方法和得克斯特拉方法结合计算之步骤为：

先采用弗洛伊德方法计算每对节点对间的一条最短路由；

再采用得克斯特拉方法计算次短路由和再次短路由。

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