CN117835098A - 弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，属于通信技术领域。该方法首先将弹性光网络中针对多类流量请求采取不同保护方案的问题描述为混合整数线性规划模型，并基于所述混合整数线性规划模型进行以下步骤：将业务请求分类并降序排列，按照排列顺序搜寻若干最短路径并作为工作路径集合；再确定工作路径集合中各路径的状态；根据状态确定是否存在可分配频谱区间，若存在计算其权值，若不存在则结束，记该请求阻塞；对于存在的请求，选取权值最小的作为工作区间；移除所选取的工作区间对应的链路再次执行上述操作，以获得保护区间；根据工作区间和保护区间为业务请求分配网络的链路带宽资源，并且更新网络，直至结束。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法。
背景技术
随着大数据、云计算、数据中心、超高清视频以及移动服务等领域的流量需求日渐增长，当前光纤网络的容量限制和需求不确定性问题受到了突出的放大。为了突破这些约束，确保网络的稳定性和提升路由的灵活性，弹性光网络成为了一个十分具有潜力的解决方案，它能提供粗粒度和细粒度的带宽资源。弹性光网络被看作是一种通过实现更精细的频谱分配以提高频谱资源效率的潜在手段。不同于传统的波分复用网络，弹性光网络可以通过选择在不同线路速率下的自适应调制格式，借助可变带宽的光传输器和交换机，来提供适当的带宽粒度。然而，弹性光网络也不是万无一失的，其中的网络故障问题，例如光纤中断，会影响到数百万用户的通信，进而带来重大的数据和经济损失。
为了保证通信的服务质量，通常考虑采用不同的保护技术来构建一个可生存的光网络，如专用路径保护技术和共享备份路径保护技术。其中，专用路径保护是保障网络生存性的一种常见方法，但是它会产生100％的额外带宽开销，而且这部分额外开销在大部分的情况下并没有使用。为了节省频谱成本和提高频谱资源的利用效率，可以使用共享备份路径保护来确保光网络的生存能力。
为了在工作路径发生故障时能够恢复通信，需要额外分配资源给请求用于保障生存性，但网络的带宽资源有限，且网络中同时存在多个数据流时，选择哪个路径及如何分配频谱资源就尤为重要。一个高效的路径选择和频谱分配策略可以避免频谱资源的竞争与冲突，降低网络阻塞率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，该方法首先将弹性光网络中针对多类流量请求采取不同保护方案的问题描述为混合整数线性规划模型，并基于所述混合整数线性规划模型进行以下步骤：
S1、根据网络业务请求模型将业务请求使用的保护方法分类，再对分类后的请求进行降序排列；
S2、按照分类排序后的顺序，依次为尚未分配频谱资源的请求搜寻其源节点与目的节点之间K条最短路径，以作为备选的工作路径集合；
S3、根据网络状态获取工作路径集合中每条路径的所有链路状态信息，并且由各条路径中的链路状态信息计算得出各条路径的状态信息；
S4：基于工作路径集合的路径状态信息，确定请求所有可分配的频谱区间；若存在可分配的频谱区间，则根据频谱资源分配公式，计算每一条路径中所有可分配频谱区间的权值；若不存在可分配的频谱区间，则返回步骤S2，为下一个请求分配资源，并使阻塞的请求数量增加1，该次请求结束；
S5：根据每个频谱块的计算结果，选择所有路径中计算结果最小的频谱块，将其作为请求的工作区间；
S6、从网络拓扑中移除所选的最小频谱块对应的工作路径中的链路，再搜寻源节点和目的节点间的K条最短路径，作为备选的保护路径集合；
S7、获取保护路径集合中每条路径的所有链路状态信息，并且由各条路径的链路状态信息计算得到路径的状态信息；
S8、基于保护路径集合的路径状态信息，找到所有可分配的频谱区间；若存在可分配的频谱区间，则根据频谱资源分配公式计算所有路径每一块可分配频谱区间的权值；不存在可分配的频谱块，返回步骤S2给下一个请求分配资源，并且阻塞的请求数增加1，该次请求结束；
S9、根据每个频谱块的计算结果，选择所有路径中计算结果最小的频谱块，将其作为请求的保护区间；
S10、根据步骤S5和步骤S9确定好的工作区间和保护区间为请求分配网络的链路带宽资源，并且更新网络；若还存在请求没有被分配资源，则返回步骤S2，继续为下一个请求分配资源；若所有请求都已分配完资源，则计算阻塞率，网络容量利用率和平均频隙共享次数。
进一步，在所述方法构建的网络业务请求模型中，G(N,L)表示网络拓扑，其中N表示网络中节点的集合，L表示网络中链路的集合；R(sr,dr,λr,σr,αr)表示请求集合，其中r代表请求，代表与r不相同的另外一个请求，(sr,dr)表示请求r源节点和目的节点；λr表示当请求r使用最低调制格式(bpsk)时所需要分配的频隙；σr表示请求r所使用的保护方案的二进制变量，当σr＝1时使用专用路径保护方法，当σr＝1时使用共享备份路径保护方法；αr为满足服务水平协议的最小带宽压缩比。
进一步，所述混合整数线性规划模型的最终优化目标为：
min Fmax (1)
公式(1)表示目标函数，最小化所有给请求分配的频谱的最大索引；所述混合保护整数线性规划模型还包括如下配置：
1)为确保每个请求分配一条工作路径和保护路径，并为每条路径分配一个调制格式，设置如下方式：
其中，为二进制变量，如果请求r选择了第k条调制格式为m的主路径或备份路径，则/>或/>的值为1，p、b是用于区分参数的角标；
2)根据给路径分配的调制格式来设置变量和/>的值，这两个变量分别代表所选工作路径和保护路径所需的频隙数量，具体方式如下：
其中，为请求r在调制格式为m的情况下所需要频隙数量，/>为整数变量，表示请求r工作；αr为满足服务水平协议的最小带宽压缩比；
3)为避免两条路径存在公共的链路，需要确保所选择的工作路径和保护路径是在相同的候选路径对当中，设置方式为：
4)为了表示请求工作路径和保护路径包含的链路，分别定义了变量和/>其分别为：
其中，为二进制变量，如果请求r的主路径或备份路径包含链接l，则/>或/>的值为1；/>为二进制常量，如果请求r是在其主路径或备份路径包含链路l，则或/>的值为1；
5)为确保对工作路径分配频谱资源以及为确保对保护路径分配频谱资源，设置如下公式：
其中，公式(9)和(10)用于工作路径频谱资源分配，公式(11)和(12)用于保护路径频谱资源分配，二进制变量，如果链路l中的频率槽f被r的主路径或备份路径占据，则/>或/>的值为1；M为设定的整数；
6)为确保给请求的工作路径分配的频谱序号在的范围内，以及确保给请求的保护路径分配的频谱序号在/>的范围内，需要对工作路径和保护路径的频谱连续性进行约束，具体设置如下：
其中，公式(13)和(14)用于约束工作路径，公式(15)和(16)用于约束保护路径；为整数变量，分别表示请求的主路径和备份路径的起始频隙的索引；
7)为确保分配给工作路径的频隙数量能够将给定工作区间全部占据，进行如下设置：
8)为确保分配给保护路径的频隙数量能够将给定保护区间全部占据，进行如下设置：
9)在混合保护整数线性规划模型中，还设置如下约束：
其中，约束(23)，(24)，(25)为频谱不重叠约束，约束(23)使得工作路径的频谱不能够重叠，约束(24)使得工作路径和保护路径的频谱不重叠，约束(25)使得专用保护路径和其他保护路径频谱不重叠；约束(26)为频谱的最大共享度约束；约束(27)和约束(28)将Fmax的值设置为使用的频隙中的最大索引。
进一步，在步骤S1中，将业务请求使用的保护方法分成专用路径保护请求和共享路径保护请求两类；在排序时默认情况按照带宽大小降序排序，若存在请求带宽大小一致，则按照工作路径和保护路径中链路数总和的大小降序排序；若存在所需带宽和链路数总和均一致，则按照带宽压缩比降序排序。
进一步，在步骤S2中，采用基于Dijkstra的K条最短路径算法为业务请求搜寻其源节点与目的节点之间K条最短路径。该算法又称为Yen′s算法，可分为两部分，首先算出第1条最短路径，然后在此基础上依次算出其他的K-1条最短路径。具体来说，在求除最短路径的其他路径时，将最短路径上除了终止节点外的所有节点都视为偏离节点，并计算每个偏离节点到终止节点的最短路径，再与之前的最短路径上起始节点到偏离节点的路径拼接，构成候选路径，进而求得最短偏离路径。
进一步，在步骤S3中，先获取工作路径链路状态信息，若链路的频隙被请求的工作路径或者专用保护路径占据，则将此频隙的状态置为状态1；若频隙没有被任何请求使用，则将此频隙的状态置为状态2；再由链路状态信息计算路径的状态信息，将路径包含的所有链路中具有相同序号的频隙置为同一集合，若集合中存在状态1的频隙，则将路径此频隙的状态置为状态1，若此集合只存在状态2的频隙，则将路径此频隙的状态置为状态2；状态1为忙碌状态，表示此频隙不能分配给其他请求，状态2为空闲状态，表示能够为其他请求提供资源。
进一步，在步骤S4中，频谱资源分配公式为：
其中η表示路径负载状态，其值由路径中包含的链路数量以及路径中所有链路的链路利用率的总和组成；μ是调整路径负载的参数；ΔI为路径的碎片变化数，底数θ(0<θ<1)是调整ΔI影响的参数，θ值越小，ΔI的影响越大；ξ为路径的关联路径；ΔE用于反映分配频谱资源后路径频谱状态变化的值。
进一步地，在步骤S5中选取计算结果最小的频谱块作为工作区间；在步骤S6中将作为工作区间的频谱块对应的工作路径中的链路从网络拓扑中移除，再按照步骤S2-S5的方式执行步骤S6-S9以确定保护区间，其中，在步骤S7对保护路径集合中每条路径的状态信息进行计算时，若频隙被请求的共享路径占用，则将该频隙的状态置为状态3，即可共享状态，代表其他请求的共享保护路径能够使用此频隙；接着计算保护路径状态信息，若路径的序号集合中包含状态1频隙，则将路径中该序号频隙的状态置为状态1；若序号集合的不包含状态1频隙，且包含状态3频隙，则路径中该序号频隙的状态置为状态3；若序号集合的不包含状态1和状态3频隙，则路径中该序号频隙的状态置为状态2。
进一步，在步骤S10中，阻塞率的值为被阻塞的业务请求数量和仿真过程在业务请求数量的总和的比值；网络容量利用率的值为网络中被业务请求占据的频隙数量与网络的频隙数量总和的比值；平均频隙共享次数的值为所有共享频隙被占据次数的总和与网络中共享频隙数量的比值。
本发明的有益效果在于：
本发明通过构造一个混合整数线性规划模型来描述在弹性光网络中针对网络中的多类流量请求采取不同的保护方案(如专用路径保护或共享备份路径保护)来保证网络的生存性。本发明还通过综合考虑请求的路径及关联路径上的频谱连续性和频谱资源的变化，来衡量计算网络中空闲资源的状态变化，以此构造了一个频谱资源分配公式来进行路径选择和频谱分配。该方法在小型网络中的性能接近于所提的混合整数线性规划模型，但运行时间大大缩短。另外，在大型网络中，本发明通过增大频谱共享度的方式降低了阻塞率和网络容量利用率，与其他几种对比算法相比，本方法对网络频谱资源的利用效率更高。
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来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法总体框架图；
图2为仿真使用的6节点网络拓扑图；
图3为仿真使用的NSFNET网络拓扑图；
图4为仿真使用的USNET网络拓扑图；
图5为本发明的方法与现有方法以及线性求解方法的仿真结果对比示意图；
图6为本发明的方法与现有方法在NSFNET网络阻塞率的仿真结果对比示意图；
图7为本发明的方法与现有方法在USNET网络阻塞率的仿真结果对比示意图；
图8为本发明的方法与现有方法在NSFNET网络频谱利用率的仿真结果对比示意图；
图9为本发明的方法与现有方法在USNET网络频谱利用率的仿真结果对比示意图；
图10为本发明的方法与现有方法在NSFNET平均频隙共享次数的仿真结果对比示意图；
图11为本发明的方法与现有方法在USNET平均频隙共享次数的仿真结果对比示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图11，为一种弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法。
实施例1
网络中传输的所有流量类型并非都需要相同级别的保护。应用感知的方法能识别不同的流量类型，并为重要性级别较高的请求提供充足的保护机制。特别是针对最为重要的流量类型，我们可能需要更有效地使用资源，为其提供专用路径保护。而对于那些较为次要的连接请求，我们可以选择使用节省资源的保护机制，如共享备份路径保护，来保障其生存性。
为了节省路径保护的资源，可以采用一种被称为压缩保护或带宽压缩恢复的技术。这项技术使得网络操作员在出现故障的情况下有能力去调整可用带宽的数量。通过压缩保护，我们可以将工作中的光路容量从原始状态压缩到可压缩的最小容量，以实现“尽力而为”的恢复策略。考虑到网络资源的有限性，带宽压缩恢复技术展现出了其理想的特质，即它可以在符合服务水平协议(Service-LevelAgreement，SLA)中规定的保证的前提下，通过对受影响的光信道带宽的部分恢复，来进一步增强网络的连通性和可用性。
基于此，本发明提出了一种考虑带宽压缩采用专用和共享路径混合保护方法，本方法是基于网络业务请求模型和混合保护整数线性规划模型实施的，具体包括以下步骤：
S1、根据业务请求使用的保护方法将其分成两类，再根据所需带宽分别对两类请求进行降序排列；
S2、按照分类排序后的顺序，依次为尚未分配频谱资源的请求搜寻其源节点与目的节点之间K条最短路径，以作为备选的工作路径集合；
S3、根据网络状态获取工作路径集合中每条路径的所有链路状态信息，并且由各条路径中的链路状态信息计算得出各条路径的状态信息；
S4：基于工作路径集合的路径状态信息，确定请求所有可分配的频谱区间，若存在可分配的频谱区间，则根据频谱资源分配公式，计算每一条路径中所有可分配频谱区间的权值；若不存在可分配的频谱区间，则返回步骤S2，为下一个请求分配资源，并使阻塞的请求数量增加1，该次请求结束；
S5：根据每个频谱块的计算结果，选择所有路径中计算结果最小的频谱块，将其作为请求的工作区间；
S6、从网络拓扑中移除所选的最小频谱块对应的工作路径中的链路，再搜寻源节点和目的节点间的K条最短路径，作为备选的保护路径集合；
S7、获取保护路径集合中每条路径的所有链路状态信息，并且由各条路径的链路状态信息计算得到路径的状态信息；
S8、基于保护路径集合的路径状态信息，找到所有可分配的频谱区间，并且根据频谱资源分配公式计算所有路径每一块可分配频谱区间的权值。如果不存在可分配的频谱块，返回步骤S2给下一个请求分配资源，并且阻塞的请求数增加1，该次请求结束；
S9、根据每个频谱块的计算结果，选择所有路径中计算结果最小的频谱块，将其作为请求的保护区间；
S10、根据步骤S5和步骤S9确定好的工作区间和保护区间为请求分配网络的链路带宽资源，并且更新网络；如果还存在请求没有被分配资源，则返回步骤S2，继续为下一个请求分配资源；如果所有请求都已分配完资源，则计算阻塞率，网络容量利用率和平均频隙共享次数。
进一步，在网络业务请求模型中，G(N,L)表示网络拓扑，其中N表示网络中节点的集合，L表示网络中链路的集合。R(sr,dr,λr,σr,αr)表示请求集合，其中r代表请求，代表与r不相同的另外一个请求，(sr,dr)表示请求r源节点和目的节点；λr表示当请求r使用最低调制格式(bpsk)时所需要分配的频隙；σr表示请求r所使用的保护方案(或者专用路径保护)的二进制变量，当σr＝1时使用专用路径保护方法，当σr＝1时使用共享备份路径保护方法；αr为满足服务水平协议的最小带宽压缩比。
进一步，对于频谱高效的专用和共享路径混合保护整数线性规划模型而言，其最终的优化目标为：
min Fmax (1)
公式(1)表示模型的目标函数，最小化所有给请求分配的频谱的最大索引。
1)在混合保护整数线性规划模型中，为确保每个请求分配一条工作路径和保护路径，并为每条路径分配一个调制格式，设置如下方式：
2)在混合保护整数线性规划模型中，根据路径分配的调制格式来设置变量和/>的值，这两个变量分别代表所选工作路径和保护路径所需的频隙数量，具体方式如下：
3)在混合保护整数线性规划模型中，为避免两条路径存在公共的链路，需要确保所选择的工作路径和保护路径是在相同的候选路径对当中，设置方式为：
4)在混合保护整数线性规划模型中，为了表示请求工作路径和保护路径包含的链路，分别定义了变量和/>其分别为：
5)在混合保护整数线性规划模型中，为确保对工作路径分配频谱资源以及为确保对保护路径分配频谱资源，设置如下公式：
其中，公式(9)和(10)用于工作路径频谱资源分配，公式(11)和(12)用于保护路径频谱资源分配；
6)为确保给请求的工作路径分配的频谱序号在的范围内，以及确保给请求的保护路径分配的频谱序号在/>的范围内，对工作路径和保护路径的频谱连续性进行约束，具体设置如下：
其中，公式(13)和(14)用于约束工作路径，公式(15)和(16)用于约束保护路径；
7)在混合保护整数线性规划模型中，为确保分配给工作路径的频隙数量能够将给定工作区间全部占据，进行如下设置：
8)在混合保护整数线性规划模型中，为确保分配给保护路径的频隙数量能够将给定保护区间全部占据，进行如下设置：
9)在混合保护整数线性规划模型中，还设置如下约束：
其中，约束(23)，(24)，(25)为频谱不重叠约束，约束(23)使得工作路径的频谱不能够重叠，约束(24)使得工作路径和保护路径的频谱不能够重叠，约束(25)使得专用保护路径和其他保护路径频谱不能够重叠；约束(26)为频谱的最大共享度约束；约束(27)和约束(28)将Fmax的值设置为使用的频隙中的最大索引。
10)在混合保护整数线性规划模型中涉及的常量符号说明如表1所示，变量符号说明如表2所示：
表1
表2
进一步，在步骤S1中，根据构建的网络业务请求模型对业务请求使用的保护方法进行分类，具体而言，将其分成专用路径保护请求和共享路径保护请求两类，再分别对两类请求进行降序排列。具体而言，排序时默认情况按照带宽大小降序排序，如果存在请求带宽大小一致，那么就按照它们工作路径和保护路径中链路数总和的大小降序排序。如果存在所需带宽和链路数总和都一致，那么就按照带宽压缩比降序排序。
进一步，在步骤S2中，按照分类排序后的顺序，依次为尚未分配频谱资源的请求搜寻其源节点与目的节点之间K条最短路径，以作为备选的工作路径集合。
进一步，在步骤S3中，根据网络状态获取工作路径集合中每条路径的所有链路状态信息，并且由各条路径中的链路状态信息计算得出各条路径的状态信息。具体而言，先获取工作路径链路状态信息，如果链路的频隙被请求的工作路径或者专用保护路径占据，那么将此频隙的状态置为状态1。如果频隙没有被任何请求使用，那么置为状态2。再由链路状态信息计算路径的状态信息，将路径包含的所有链路中具有相同序号的频隙置为同一集合。如果集合中存在状态1的频隙，则将路径此频隙的状态置为状态1，如果此集合只存在状态2的频隙，则将路径此频隙的状态置为状态2。状态1为忙碌状态，意味着此频隙不能分配给其他请求，状态2为空闲状态，可为其他请求提供资源。
进一步，在步骤S4中，基于工作路径集合的路径状态信息，确定请求所有可分配的频谱区间，若存在可分配的频谱区间，则根据频谱资源分配公式，计算每一条路径中所有可分配频谱区间的权值；若不存在可分配的频谱区间，则返回步骤2为下一个请求分配资源，并使阻塞的请求数量增加1，该请求结束。
进一步，在步骤S5中，根据每个频谱块的计算结果，选择所有路径中计算结果最小的频谱块，将其作为请求的工作区间；
对于可用频谱块，具体地说，路径中满足请求带宽需求的一段连续频谱区间。
减少资源的途径有：对于具有多个链路的路径，如果该路径的频率切片空闲，则意味着其所有链路中的相应频率切片共同空闲。使用由空闲切片形成的空闲频谱块的数量来描述路径资源的连续性。空闲的频谱块越少，则路径资源的连续性越大。还有就是请求的路径占用链路中空闲的频谱也检查频谱资源。频谱资源分配的公式如(29)所示：
其中η是用于表示路径负载状态，它的值由两个部分组成，一个是路径中包含的链路数量，另外一个为路径中所有链路的链路利用率的总和，其中μ是调整路径负载的参数。ΔI为路径的碎片变化数，如果频谱分配到路径上，根据路径的状态信息的变化，判断碎片数是否变化，如果碎片数增加1个，ΔI的值为-1；如果碎片数不变，ΔI的值为0；如果碎片数减少1个，ΔI的值为1。其中底数θ(0<θ<1)是调整ΔI影响的参数，ξ为路径的关联路径集合。θ值越小，ΔI的影响越大。ΔE用于反映分配频谱资源后路径频谱状态变化的值，具体来说，当请求占用空闲状态的频隙，ΔE的值加2，在工作路径上，请求只能够被分配在空闲状态的频隙上，但是在关联路径状态上，如果请求占用已经被占用的频隙，ΔE值不变。最后将所有变化值累加得到频谱状态变化量。对于上述提到的关联路径，具体地说，通常在网络中，路径不是孤立的，而是相互关联的。如果两条路径至少有一条公共链路，我们称它们为相互关联的路径。当路径中的频谱块被分配给连接请求时，不仅在此路径中的空闲资源会减少而且在与此路径的所有关联路径中的空闲资源都将减少。
S6、从网络拓扑中移除所选的最小频谱块对应的工作路径中的链路，再搜寻源节点和目的节点间的K条最短路径，作为备选的保护路径集合。
S7、获取保护路径集合中每条路径的所有链路状态信息，并且由各条路径的链路状态信息计算得到路径的状态信息；具体而言，链路的频隙状态1和状态2同步骤3规定。如果此频隙被请求的共享路径占用，那么将该频隙的状态置为状态3，即可共享状态，代表其他请求的共享保护路径也能够使用此频隙。接着计算保护路径状态信息，如果路径某序号集合中包含状态1频隙，则将路径中该序号频隙的状态置为状态1。如果某序号集合不包含状态1频隙，且包含状态3频隙，则路径中该序号频隙的状态置为状态3。如果某序号集合不包含状态1和状态3频隙，则路径中该序号频隙的状态置为状态2。
S8、基于保护路径集合的路径状态信息，找到所有可分配的频谱区间；如果存在可分配的频谱区间，则根据频谱资源分配公式计算所有路径每一块可分配频谱区间的权值；如果不存在可分配的频谱块，返回步骤S2给下一个请求分配资源，并且阻塞的请求数增加1，该此请求结束。
S9、根据每个频谱块的计算结果，选择所有路径中计算结果最小的频谱块，将其作为请求的保护区间。
S10、根据步骤S5和步骤S9确定好的工作区间和保护区间为请求分配网络的链路带宽资源，并且更新网络；如果还存在请求没有被分配资源，则返回步骤S2，继续为下一个请求分配资源；如果所有请求都已分配完资源，则计算阻塞率，网络容量利用率和平均频隙共享次数。阻塞率的值为仿真过程中被阻塞的业务请求数量和仿真过程在业务请求数量的总和的比值。网络容量利用率的值为网络中被业务请求占据的频隙数量与网络的频隙数量总和的比值。平均频隙共享次数的值为所有共享频隙被占据次数的总和与网络中共享频隙数量的比值
实施例2
本实施例针对本发明的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法以及方法中所提及的混合整数线性规划模型进行仿真实验，并对实验结果进行展示。
本发明的一种弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，构建了一个混合整数线性规划模型来描述所解决的问题。本实施例将本发明的考虑路径负载、频隙、碎片和相关路径影响的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，简称为SEHPA；现有方法中的有关联路径中加权资源减少量的最小总和频谱分配算法，简称MinWRRA；现有方法中的负载感知专用路径保护和频谱共享最大化共享路径保护方法，简称TADDP+SSMP；混合光路保护方法，简称HybPL。本实施例将本发明的方法与现有的方法进行对比，本发明的业务阻塞率更低，且容量资源利用率也低，这就意味着频谱效率更高。
如图2所示的本发明的混合整数线性规划模型的仿真物理网络小拓扑图以及如图3和图4所示的本发明在仿真启发式算法时采用的仿真物理网络大拓扑图，请求的调制格式根据请求路径中最长链路的距离选择最合适的调制格式，如表3示出的调制格式和最大传输距离的具体参数设置；请求的源节点和目的节点随机生成，所需要的带宽在1到8个频隙之间，使用共享备份路径保护方法的请求数量和使用专用路径保护方法的请求数量的比值为2，使用共享路径保护的请求的带宽压缩比在0.6到1之间。
表3
对本实施例所提算法进行性能分析。首先从图5可以看出，本发明所提的启发式算法的性能要优于其他三种对比算法，虽然整体效果不如混合整数线性规划模型，但也十分接近。
图6和图7是几种启发式算法在不同网络中的阻塞率情况，不难看出，本发明所提方法阻塞率与其他三种算法相比，在NSF网络中分别降低了24.7％，55.4％，和50.1％，在US网络在分别降低了16.7％，35.9％，和39.2％。
图8和图9是在和图6，图7相同情况下算法的网络容量利用率，本发明所提方法容量利用率与其他三组算法相比，在NSF网络中分别降低了12.2％，5.5％，和9.7％，在US网络在分别降低了19.6％，4.3％，和6.8％，这是由于本发明所提算法增加了保护路径的频谱共享度，能够节约更多的频谱资源。
从图10和图11中得出，本发明所提算法的链路平均频隙共享次数大于其他几种对比算法，在NSF网络中分别提高了75.3％，45.4％，和56.7％，在US网络在分别提高了64.7％，4.1％，和29.6％。综合考虑图6到图11，本发明所提出的方法增加了共享保护路径的频谱的共享度，从而请求使用更少的频谱资源，网络也能够给更多的请求分配资源，降低了网络的请求阻塞率，提高了频谱资源的利用效率。
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 (9)
1.一种弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，其特征在于：所述方法首先将弹性光网络中针对多类流量请求采取不同保护方案的问题描述为混合整数线性规划模型，并基于所述混合整数线性规划模型进行以下步骤：
S1、根据网络业务请求模型将业务请求使用的保护方法分类，再对分类后的请求进行降序排列；
S2、按照分类排序后的顺序，依次为尚未分配频谱资源的请求搜寻其源节点与目的节点之间K条最短路径，以作为备选的工作路径集合；
S3、根据网络状态获取工作路径集合中每条路径的所有链路状态信息，并且由各条路径中的链路状态信息计算得出各条路径的状态信息；
S4：基于工作路径集合的路径状态信息，确定请求所有可分配的频谱区间；若存在可分配的频谱区间，则根据频谱资源分配公式，计算每一条路径中所有可分配频谱区间的权值；若不存在可分配的频谱区间，则返回步骤S2，为下一个请求分配资源，并使阻塞的请求数量增加1，该次请求结束；
S5：根据每个频谱块的计算结果，选择所有路径中计算结果最小的频谱块，将其作为请求的工作区间；
S6、从网络拓扑中移除所选的最小频谱块对应的工作路径中的链路，再搜寻源节点和目的节点间的K条最短路径，作为备选的保护路径集合；
S7、获取保护路径集合中每条路径的所有链路状态信息，并且由各条路径的链路状态信息计算得到路径的状态信息；
S8、基于保护路径集合的路径状态信息，找到所有可分配的频谱区间；若存在可分配的频谱区间，则根据频谱资源分配公式计算所有路径每一块可分配频谱区间的权值；不存在可分配的频谱块，返回步骤S2给下一个请求分配资源，并且阻塞的请求数增加1，该次请求结束；
S9、根据每个频谱块的计算结果，选择所有路径中计算结果最小的频谱块，将其作为请求的保护区间；
S10、根据步骤S5和步骤S9确定好的工作区间和保护区间为请求分配网络的链路带宽资源，并且更新网络；若还存在请求没有被分配资源，则返回步骤S2，继续为下一个请求分配资源；若所有请求都已分配完资源，则计算阻塞率，网络容量利用率和平均频隙共享次数。
2.根据权利要求1所述的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，其特征在于：在所述方法构建的网络业务请求模型中，G(N,L)表示网络拓扑，其中N表示网络中节点的集合，L表示网络中链路的集合；R(sr,dr,λr,σr,αr)表示请求集合，其中r代表请求，代表与r不相同的另外一个请求，(sr,dr)表示请求r源节点和目的节点；λr表示当请求r使用最低调制格式(bpsk)时所需要分配的频隙；σr表示请求r所使用的保护方案的二进制变量，当σr＝1时使用专用路径保护方法，当σr＝1时使用共享备份路径保护方法；αr为满足服务水平协议的最小带宽压缩比。
3.根据权利要求2所述的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，其特征在于：所述混合整数线性规划模型的最终优化目标为：
min Fmax (1)
公式(1)表示目标函数，最小化所有给请求分配的频谱的最大索引；所述混合保护整数线性规划模型还包括如下配置：
1)为确保每个请求分配一条工作路径和保护路径，并为每条路径分配一个调制格式，设置如下方式：
其中，为二进制变量，若请求r选择了第k条调制格式为m的主路径或备份路径，则/>或/>的值为1，p、b是用于区分参数的角标；
2)根据给路径分配的调制格式来设置变量和/>的值，这两个变量分别代表所选工作路径和保护路径所需的频隙数量，具体方式如下：
其中，为请求r在调制格式为m的情况下所需要频隙数量，/>为整数变量，表示请求r工作；αr为满足服务水平协议的最小带宽压缩比；
3)为避免两条路径存在公共的链路，需要确保所选择的工作路径和保护路径是在相同的候选路径对当中，设置方式为：
4)为了表示请求工作路径和保护路径包含的链路，分别定义了变量和/>其分别为：
其中，为二进制变量，如果请求r的主路径或备份路径包含链接l，则/>或/>的值为1；/>为二进制常量，如果请求r是在其主路径或备份路径包含链路l，则/>或的值为1；
5)为确保对工作路径分配频谱资源以及为确保对保护路径分配频谱资源，设置如下公式：
其中，公式(9)和(10)用于工作路径频谱资源分配，公式(11)和(12)用于保护路径频谱资源分配，二进制变量，如果链路l中的频率槽f被r的主路径或备份路径占据，则或/>的值为1；M为设定的整数；
6)为确保给请求的工作路径分配的频谱序号在的范围内，以及确保给请求的保护路径分配的频谱序号在/>的范围内，对工作路径和保护路径的频谱连续性进行约束，具体设置如下：
其中，公式(13)和(14)用于约束工作路径，公式(15)和(16)用于约束保护路径；为整数变量，分别表示请求的主路径和备份路径的起始频隙的索引；
7)为确保分配给工作路径的频隙数量能够将给定工作区间全部占据，进行如下设置：
8)为确保分配给保护路径的频隙数量能够将给定保护区间全部占据，进行如下设置：
9)在混合保护整数线性规划模型中，还设置如下约束：
其中，约束(23)，(24)，(25)为频谱不重叠约束，约束(23)使得工作路径的频谱不能够重叠，约束(24)使得工作路径和保护路径的频谱不重叠，约束(25)使得专用保护路径和其他保护路径频谱不重叠；约束(26)为频谱的最大共享度约束；约束(27)和约束(28)将Fmax的值设置为使用的频隙中的最大索引。
4.根据权利要求3所述的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，其特征在于：在步骤S1中，将业务请求使用的保护方法分成专用路径保护请求和共享路径保护请求两类；在排序时默认情况按照带宽大小降序排序，若存在请求带宽大小一致，则按照工作路径和保护路径中链路数总和的大小降序排序；若存在所需带宽和链路数总和均一致，则按照带宽压缩比降序排序。
5.根据权利要求4所述的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，其特征在于：在步骤S2中，采用基于Dijkstra的K条最短路径算法为业务请求搜寻其源节点与目的节点之间K条最短路径，所述K条最短路径算法首先算出第1条最短路径，然后在此基础上依次算出其他的K-1条最短路径；在求取最短路径的其他路径时，将最短路径上除了终止节点外的所有节点都视为偏离节点，并计算每个偏离节点到终止节点的最短路径，再与之前的最短路径上起始节点到偏离节点的路径拼接，构成候选路径，以获得K条最短路径。
6.根据权利要求5所述的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，其特征在于：在步骤S3中，先获取工作路径链路状态信息，若链路的频隙被请求的工作路径或者专用保护路径占据，则将此频隙的状态置为状态1；若频隙没有被任何请求使用，则将此频隙的状态置为状态2；再由链路状态信息计算路径的状态信息，将路径包含的所有链路中具有相同序号的频隙置为同一集合，若集合中存在状态1的频隙，则将路径此频隙的状态置为状态1，若此集合只存在状态2的频隙，则将路径此频隙的状态置为状态2；状态1为忙碌状态，表示此频隙不能分配给其他请求，状态2为空闲状态，表示能够为其他请求提供资源。
7.根据权利要求6所述的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，其特征在于：在步骤S4中，频谱资源分配公式为：
其中η表示路径负载状态，其值由路径中包含的链路数量以及路径中所有链路的链路利用率的总和组成；μ是调整路径负载的参数；ΔI为路径的碎片变化数，底数θ(0<θ<1)是调整ΔI影响的参数，θ值越小，ΔI的影响越大；ξ为路径的关联路径；ΔE用于反映分配频谱资源后路径频谱状态变化的值。
8.根据权利要求7所述的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，其特征在于：在步骤S5中选取计算结果最小的频谱块作为工作区间；在步骤S6中将作为工作区间的频谱块对应的工作路径中的链路从网络拓扑中移除，再按照步骤S2-S5的方式执行步骤S6-S9以确定保护区间，其中，在步骤S7对保护路径集合中每条路径的状态信息进行计算时，若频隙被请求的共享路径占用，则将该频隙的状态置为状态3，即可共享状态，代表其他请求的共享保护路径能够使用此频隙；接着计算保护路径状态信息，若路径的序号集合中包含状态1频隙，则将路径中该序号频隙的状态置为状态1；若序号集合的不包含状态1频隙，且包含状态3频隙，则路径中该序号频隙的状态置为状态3；若序号集合的不包含状态1和状态3频隙，则路径中该序号频隙的状态置为状态2。
9.根据权利要求8所述的弹性光网络中频谱高效的专用和共享路径混合保护方法，其特征在于：在步骤S10中，阻塞率的值为被阻塞的业务请求数量和仿真过程在业务请求数量的总和的比值；网络容量利用率的值为网络中被业务请求占据的频隙数量与网络的频隙数量总和的比值；平均频隙共享次数的值为所有共享频隙被占据次数的总和与网络中共享频隙数量的比值。
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