专利名称：传送网的资源利用优化方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，主要涉及通信网中的资源利用技术，具体地说是一种对传送网的资源优化方法。
背景技术：
随着电信网、计算机网和广播电视网的快速发展，网络呈现出相互融合的态势，网络结构发生量变乃至质变，正在向下一代网络NGN(Next Generation Network或NewGeneration Network)演变和过渡。NGN不是现有电信网和IP网的简单延伸和叠加，而是整个网络框架的变革，是一种整体解决方案。为保护现有网络投资，NGN的出现与发展是渐变而非突变，是在继承现有网络优势的基础上实现平滑过渡的网络。与此趋势相对应，完成用户信息传送的传送网将是采用现有和未来技术的各种各样的传送网，例如光网络、同步数字系列SDH网络、Ethernet网和城域网等。
由于传送的用户业务种类繁多，其时延、时延抖动、带宽、分组丢失率等服务质量QoS(Quality of Service)的指标要求各不相同。运营商获得的收益取决于传输速率、业务种类、用户类型等因素。有的运营商租用电路组建自己的第3层网络，有的运营商租用光路组建自己的第2、3层网络，也有运营商拥有自己的第1、2、3层网络。尽管运营商所处的传送网层次不同，但其目标是一致的，即满足用户需求和追求资源的最合理利用，以达到收益最大化。
由中国国家知识产权局2004年3月24日公开，公开号为CN 1484400的专利申请“一种实现光同步数字传送网多业务优化中路由分配的方法”，公开了一种实现光同步数字传送网多业务优化中路由分配的方法。该方法包括以下步骤A.将传送网按环划分为子网，并计算出传送网中业务需求的初始路由；B.分别判断环形子网间和子网内链路资源是否超载，如超载，则重新计算路由；C.判断环形子网是否满足负载平衡指标的要求，如不满足，则进行路由调整；D.将子网划分为边缘子网和核心子网后判断核心子网的综合指标是否满足收敛条件，如不满足，则检查路由计算次数是否达到门限，如达到，则结束分配过程，否则重新计算路由。该发明申请在达到占用网络资源最少和网络负载平衡的优化目标的同时，提高较大规模网络进行路由分配的计算效率，并求出近似的最优解，使多业务优化的效果更稳定、良好。
该方法存在如下缺陷1)仅适用于传送网中的环形网；2)仅适用于环形子网、边缘子网和核心子网两级结构；3)没有实现整个网内的整体资源优化和网络拓扑的改变，以最大限度地利用网络资源；4)未对用户业务分等级处理，无法更好地保证高等级业务的服务质量和实现网络运营商的利益最大化。
又如，由中国国家知识产权局2004年8月18日公开，公开号为CN 1522009的国外专利申请“用于通信的网络资源优化装置与方法”，公开了一种通信网络系统，具有对网络内的节点资源以及链路资源的状况进行管理的资源管理部；通过给出重新配置指示，根据被资源管理部所管理的节点资源的状况，为让网络内的功能节点的功能以及处理对象的配置成为适当而进行重新配置的节点功能配置控制部；通过给出重新构筑指示，根据被资源管理部所管理的链路资源的状况，为让网络内的通道的结构成为适当而进行重新构筑的至少1个通道结构控制部；根据被资源管理部所管理的节点资源以及链路资源的状况，判断是否对节点功能配置控制部发出重新配置指示或者是否对通道结构控制部发出重新构筑指示，并输出必要的指示的适应控制判断部。该发明申请存在如下缺陷1)未根据用户的业务请求进行网络资源优化，无法从网络整体上达到资源优化；2)不适用于待建网络的性能评估。
总之，传统的传送网路由选择和资源管理未考虑网络的分层化和不同层次网络间相互作用、不同用户类型和不同种类业务产生的运营商收益差异，无法实现已有网络资源的合理利用，也无法设计出网络资源较合理利用的待建网络，导致网络的整体资源利用率和可靠性较低、用户呼叫或服务请求的拒绝率高的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种传送网的资源优化方法，以提高传送网的资源利用率，减小用户服务请求的拒绝率。
本发明的目的是这样实现的本发明中的传送网是指有线传送网和无线传送网中的固定网部分，不包括自组织网ad hoc等网络拓扑快速变化的网络。本发明的基本思路是通过对传送网的分层、联合路由选择、资源优化实现传送网的资源优化。其技术关键是(1)对网络进行分层表示；(2)根据业务请求带宽及等级、链路带宽利用率、邻接的层间链路传输速率和跳数参数联合选择路由；(3)根据联合选择路由的结果调用多层资源联合调度算法MRJS(MultilayerResources Joint Scheduling)；(4)定期调用多层资源联合调度算法MRJS以优化资源配置。
本发明的具体方法如下1.对传送网进行分层，即将传送网络分为M≥2层，从下层到上层依次称为第1、2、...、M层，并用数学表达式表示每一层的网络结点集合和连接相邻结点的链路集合、(M-1)个邻接的层间网络结点连接关系、(M-1)个邻接的层间网络结点链路速率、以及(M-1)个邻接的层间链路映射关系；2.在分层后的各层传送网上，分别根据用户业务请求的源宿结点、业务等级、持续时间等参数，结合网络各层资源占用情况，依据请求带宽选择初始选路层，运行联合路由选择算法，为从有关信令或管理实体处接收的连接请求原语，建立一个传送通路；3.对于运行联合路由选择算法选路失败的网络层面，检查当前选路层和设定的调用计数值CMRJS上限参数(1)当满足条件时，调用多层资源联合调度算法MRJS，分别调整当前选路层和当前选路层的邻接下层的结点资源配置，以及该两层链路的映射关系，实现网络资源的重新配置后，再运行联合路由选择算法，建立源结点到宿结点之间的传送通路；(2)当不满足条件时，拒绝该连接请求；4.对于运行联合路由选择算法选路成功的网络层面，接受该连接请求，检查是否一次运行联合路由选择算法选路成功(1)当多次选路成功时，减小初始选路层到当前选路层的所有层内相关结点间的传输带宽，并减小初始选路层到当前选路层的所有邻接的层间结点的传输带宽，为用户业务请求建立传送通路；(2)当一次选路成功时，减小当前选路层的层内相关结点间的传输带宽。
上述调用计数值CMRJS的上限参数设定为CMRJS≤(Lh，Ln，Ll)，其中(Lh，Ln，Ll)三个参数分别表示高等级业务、常规等级业务和低等级业务调用多层资源联合调度算法MRJS的上限，这三个参数间的关系是Lh≥Ln和Ll＝0。
上述表示每一层网络结点集合的数学表达式是Gl＝(Vl，Al)，其中l(＝1，2，...，M)表示层数，Vl表示该层网络结点集合，Al表示该层网络结点间的相邻链路集合。
上述表示每一层连接相邻结点的链路集合的数学表达式是结点相邻关系矩阵Fl[fl(i，j)]Nl×Nl，其中l(＝1，2，...，M)表示层数，Nl＝|Vl|表示第l层网络的结点数，对 上述表示(M-1)个邻接的层间网络结点连接关系的数学表达式是网络第l层和第(l-1)层的邻接结点间连接关系矩阵Xl-1l[xl-1l(i，j)]Nl-1×Nl，其中l(＝2，3，...，M)表示层数，Nl-1＝|Vl-1|表示与第l层网络邻接的第(l-1)层网络的结点数，对_i∈Vl和j∈Vl-1，则
上述表示(M-1)个邻接的层间网络结点的链路速率关系的数学表达式是网络第l层和第(l-1)层的邻接结点间的链路速率矩阵Hl-1l[hl-1l(i，j)]Nl-1×Nl，其中l(＝2，3，...，M)表示层数，对_i∈Vl和j∈Vl-1，则 v(i，j)表示第l层结点i和第(l-1)层结点j间的传输速率。
上述表示(M-1)个邻接的层间链路的映射关系的数学表达式是网络第l层和第(l-1)层邻接的链路间的映射关系矩阵Yl-1l[yfl-1fl(i，j)]El-1×El，其中l(＝2，3，...，M)表示层数，El＝|Al|表示第l层网络的链路数，El-1＝|Al-1|表示第(l-1)层网络的链路数，对_fl∈Fl和fl-1∈Fl-1，则 上述运行联合路由选择算法是在已知上述每一层的网络结点集合和连接相邻结点的链路集合、(M-1)个邻接的层间结点连接关系、(M-1)个邻接的层间结点的链路速率、以及(M-1)个邻接的层间链路的映射关系等参数条件下，按如下步骤进行(1)生成资源占用请求根据连接请求生成资源占用请求D＝{s，d，breq，p，t}，其中s代表源结点，d代表宿结点，breq代表以Mb/s为单位的请求带宽，p表示高等级high、常规等级normal、低等级low三种业务的等级，t代表该业务的持续时间。
(2)为不同等级业务进行选路处理为不同的网络选路层次l(＝1，2，...，M)设置合适的带宽颗粒度bl，根据连接请求带宽，将该请求归入相应的初始网络选路层lin，令网络层次变量l＝lin。按请求带宽除去第lin层网络中，链路带宽小于请求带宽的所有链路，通过运行基于区分服务的多约束最短路径CSPF-DS算法为该连接请求选路。
上述调用多层资源联合调度算法MRJS的过程为(1)计算当前选路失败源宿结点间的所有路径上链路fl的瓶颈度wc(fl)，该瓶颈度的计算公式是wc(fl)=α1×ΣiΣj=13bconn(i)j·q(j)q(3)·ΣiΣj=13bconn(i)j+α2×u(fl)+α3×(breq-a(fl))breq×g(breq-a(fl))+α4×(cfl-1-cfl)cfl-1---[1]]]>式[1]中的函数 α1+α2+α3+α4＝1 [3]其中
fl表示链路，l＝M，...，3，2是按递减顺序进行瓶颈链路搜索的网络层次；α1，α2，α3，α4表示影响瓶颈度的4组参量的权值系数，通过动态调整权值，可改变4组参量在瓶颈度量计算中所占比重；bconn(i)j表示第l层网络的链路fl已承载的业务连接conn(i)所占用的带宽，其业务类型为j；q(j)表示已承载业务j的业务等级，例如q(j)=3,p(j)=high2,p(j)=normal,1,p(j)=low]]>也可设定为其它值；u(fl)表示链路fl的利用率，u(fl)＝(c(fl)-a(fl))/c(fl)，其中c(fl)是链路fl的带宽容量，a(fl)是链路fl的可用带宽容量；breq表示当前业务请求D的请求带宽；cfl-1表示链路fl在第l-1层网络的映射链路的配置带宽；cfl表示链路fl在第l层网络的链路带宽。
(2)在当前选路失败源宿结点间的路径上的所有链路中，寻找链路瓶颈度最大的链路fMl。
(3)对于链路fMl的下层网络邻接链路的可用容量大于或等于请求容量的链路，则将下层网络邻接链路的带宽增加给链路fMl。
(4)对于链路fMl的下层网络邻接链路的可用容量小于请求容量的链路，尝试为链路fMl重新选择可用容量大于或等于请求容量的下层网络邻接链路；如果成功，则将下层网络邻接链路的带宽增加给链路fMl，否则，返回链路fMl带宽增加失败信息。
本发明由于采用传送网的分层、联合路由选择和多层资源联合优化技术手段，因而可满足不同用户的业务需求，实现了不同层次网络间的资源相互协调，达到了网络资源的合理利用，大幅度降低了用户呼叫或服务请求的拒绝率。
本发明既可用于已建成传送网的网络路由选择和资源优化，也可用于待建传送网的性能评估和网络传输、交换资源的优化配置。
图1是本发明的整体流程2是本发明的网络分层结构示意3是本发明的联合路由选择算法流程4(a)是本发明在选路失败时的多层资源联合调度算法MRJS流程4(b)是本发明在连接拆除时的多层资源联合调度算法MRJS流程4(c)是本发明在定时器溢出时的多层资源联合调度算法MRJS流程5是本发明计算机仿真所用的网络拓扑6是本发明的联合路由选择仿真获得的高等级业务选路性能曲线7是本发明多层资源联合调度仿真后，获得的三种业务总呼叫拒绝率变化曲线8是本发明多层资源联合调度仿真后，获得的高等级业务呼叫拒绝率变化曲线图具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步的详细描述。为方便叙述，本发明以M＝3为例叙述实施方法，但其原理也适合M＞3或M＝2的情况。为便于区别同一层内相邻结点间链路与两个上下邻接的层间结点链路，本发明将同一层内相邻结点间链路称为结点间相邻链路，将两个上下邻接的层结点间链路称为结点间邻接链路。
参照图1，本发明的具体实施方法如下第一步，首先按照传送网不同的实际网络体制，也可按照运营商使用的网络结构划分，或按虚构的网络设置，将传送网络分为3层，从下层到上层依次称为第1、2、3层；其次用如下数学表达式分别表示每一层的网络结点集合和连接相邻结点的链路集合、M-1个邻接的层间网络结点连接关系和网络结点链路速率及链路间的映射关系，即每一层的网络结点集合是Gl＝(Vl，Al)，其中Vl表示该层网络结点集合，Al表示该层网络结点间的相邻链路集合，l＝1，2，3。例如l＝1表示物理光网络，l＝2表示电路层，而l＝3表示基于分组的IP网的网络层；每一层的网络相邻结点的链路集合是Fl[fl(i，j)]Nl×Nl，其中l＝1，2，3，Nl＝|Vl|表示第l层网络的结点数，对_i，j∈Vl有 2个邻接的层间网络结点连接关系是Xl-1l[xl-1l(i，j)]Nl-1×Nl，其中l＝2，3，Nl-1＝|Vl-1|表示与第l层网络邻接的第(l-1)层网络的结点数，N1＝|Vl|表示第l层网络的结点数，对_i∈Vl和j∈Vl-1， 2个邻接的层间链路速率Hl-1l[hl-1l(i，j)]Nl-1×Nl，其中l＝2，3，Nl-1＝|Vl-1|表示与第l层网络邻接的第(l-1)层网络的结点数，Nl表示第l层网络的结点数，对_i∈Vl和j∈Vl-1，则 v(i，j)表示第l层和第(l-1)层结点(i，j)间的传输速率；2个邻接的层间链路的映射关系是Yl-1l[yfl-1fl(i，j)]El-1×El，其中l＝2，3，El-1＝|Al-1|表示第(l-1)层网络的链路数，El＝|Al|表示第l层网络的链路数，对_fl∈Fl和fl-1∈Fl-1，设链路fl和fl-1的编号分别是i和j，则 然后将光传输设备、光交叉连接设备(OXCs)做为网络结点，用光纤连接某些网络结点，这样构成第1层光网络，如图2中所示的1A和1B结点连接构成1A～1B链路。该层网络结点集合是V1＝{1A，1B，1C，1D，1E，1F}，该层网络结点间的相邻链路集合是A1＝{1A～1B，1A～1F，1B～1C，1B～1E，1C～1D，1D～1E，1E～1F}。同理，将电路传输设备、数字交叉连接设备(DXCs)做为网络结点，用传输电路连接某些网络结点，这样构成第2层电路网络，如图2中的2A和2B结点连接构成2A～2B链路。该层网络结点集合是V2＝{2A，2B，2C，2D，2E}，该层网络结点间的相邻链路集合是A2＝{2A～2B，2A～2E，2B～2C，2B～2D，2C～2D，2D～2E}。将路由器、交换机等网络设备做为网络结点，用传输设备连接某些网络结点，这样构成第3层分组网络，例如将图中的3A1和3B1结点连接构成3A1～3B1链路。该层网络结点集合是V3＝{3A1，3B1，3C1，3D1，3A2，3B2，3C2}，该层网络结点间的相邻链路集合是A3＝{3A1～3B1，3A1～3C1，3A1～3D1，3B1～3C1，3C1～3D1，3A2～3B2，3A2～3C2，3B2～3C2}。根据网络结点连接关系，我们可将该层网络分为两个子网络N31和N32，网络N31的结点集合是V3，1＝{3A1，3B1，3C1，3D1}，结点间的相邻链路集合是A3，1＝{3A1～3B1，3A1～3C1，3A1～3D1，3B1～3C1，3C1～3D1}；网络N32的结点集合是V3，2＝{3A2，3B2，3C2}，结点间相邻链路集合是A3，2＝{3A2～3B2，3A2～3C2，3B2～3C2}。
图2中第1层网络的相邻结点连接关系可进一步用矩阵式表示为 其中1A～1F为网络结点，大括号内是矩阵元素。同理，可得到第2层网络和第3层网络的相邻结点连接关系矩阵。
图2中的虚线表示网络的两个邻接的层间网络结点的传输能力或连接关系，例如连接第2层的2D结点与第1层1B结点，构成2D～1B链路；连接第3层的3B1结点、3A2结点与第2层的2D结点，分别构成3B1～2D链路和3A2～2D链路。
图2中第2层与第1层的邻接结点连接关系矩阵是
其中1A～1F、2A～2E为网络结点，大括号内是矩阵元素。同理可得第3层N31、N32与第2层间的的邻接结点间关联矩阵。
依据第2层与第1层间的的邻接结点间连接关系矩阵，在矩阵元素是“1”的位置设置邻接链路速率，得到第2层网络和第1层网络的邻接结点间链路速率矩阵是 同理可得第3层N31、N32与第2层间的邻接结点间链路速率矩阵。
对于第2层中的链路，根据网络第2层与第1层邻接结点间连接关系矩阵，配置网络第2层与第1层邻接的链路间映射关系。该链路的配置一般由其邻接下层的单个链路提供传输能力，如图2中的链路2C～2D由链路1A～1B提供传输能力，对于链路的邻接下层单个链路不能提供传输能力的情况，配置该链路由其邻接下层的多个链路提供传输能力，例如图2中的链路2D～2E由链路1B～1C和1C～1D提供传输能力，由此得到的第2层网络和第1层网络的邻接链路映射关系矩阵 同理可得到网络第3层和第2层的邻接链路映射关系矩阵。
在图2中，处于某一层的同一网络可为其高一层的若干网络提供传输资源，例如，处于第2层的同一网络既可为第3层网络N31提供传输资源，也可为第3层网络N32提供传输资源。
第二步，根据用户业务请求，运行联合路由选择算法。
参照图3所示的联合路由选择算法流程图，首先设置该联合路由选择算法的有关参量和通用约束条件，该有关参量包括常量和变量两部分。
所述的常量部分是1)各层网络模型和相邻矩阵Gl＝(Vl，Al)，Fl[fl(i，j)]Nl×Nl，其中，l＝1，2，3；2)第1层网络链路传输带宽c(i)fl，i是该层网络的链路编号，i＝1，2，...，|A1|；3)网络第l层和第l-1层的邻接结点间连接关系矩阵Xl-1l[xl-1l(i，j)]Nl-1×Nl，其中l＝2，3；4)网络第l层和第(l-1)层的邻接结点间链路速率矩阵Hl-1l[hl-1l(i，j)]Nl-1×Nl，其中l＝2，3；5)业务请求集合Rp，下标p表示业务等级，(Rhigh，Rnormal，Rlow)分别代表高等级、常规等级和低等级业务请求集合。可根据需要设定Rp的业务连接特性，如产生过程、到达速率均值、业务连接的持续时间分布。例如，可设Rp的业务连接的产生为泊松过程，到达速率均值为λ，持续时间均值为1/μ个时间单位。所述的变量部分是1)第l层网络已承载的业务矩阵Λl=[Λl(s,d)]Nl×Nl,]]>其中l＝1，2，3，Nl＝|Vl|，s，d∈Vl，矩阵中每个元素 bl(s，d，p)表示该业务在第l层所占带宽，s，d分别表示该业务在第l层连接的源宿点，p＝high，normal，low表示该连接的业务等级，bl(s，d，p)的初值均为0；2)网络第l层和第l-1层邻接的链路间的映射关系矩阵Yl-1l[yfl-1fl(i，j)]El-1×El，其中l＝2，3；3)第l层网络的业务连接所途经的相邻链路矩阵Zl[zflΛl(i，j)]Rl×El，其中l＝1，2，3，Rl是第l层网络的当前业务连接数，El是第l层网络的相邻链路数，对_Λl∈Λl有 4)第l层网络中相邻链路i的带宽容量c(i)fl，其中l＝2，3，fl∈Fl；5)第l层网络中相邻链路i的可用带宽a(i)fl，其中l＝1，2，3，fl∈Fl。
所述的通用约束条件是1)第l层网络任一相邻链路fl承载的本层网络和邻接上层网络的所有业务连接，所占用的带宽小于或等于该链路的带宽容量cfl；2)第l层的一个结点只能与第l-1层的一个结点连接或没有连接，即在l＝2，3时满足Σixl-1l(i,j)=1]]>和Σjxl-1l(i,j)=1;]]>3)第l层的一个相邻链路，只能由第l-1层的一个通路承载，而不允许由第l-1层的2个或2个以上通路承载。
需说明的是，图3中的CMRJS用于资源调整次数计数和区别是否第一次选路成功，参量(Lh，Ln，Ll)分别表示设定的高等级、常规等级和低等级业务的资源调整次数上限。
在已知上述参数条件下，运行联合路由选择算法按如下步骤进行(1)生成资源占用请求根据连接请求生成资源占用请求D＝{s，d，breq，p，t}，其中s代表源结点，d代表宿结点，breq代表以Mb/s为单位的请求带宽，p表示高等级high、常规等级normal、低等级low三种业务等级，t代表该业务的持续时间。业务等级p的取值按业务特性分为三个等级高等级业务对带宽、时延、时延抖动、丢失率都有严格要求，该类业务对应于区分服务DiffServ中的加速转发EF业务；常规等级业务对时延、带宽有一定要求，但实时性要求不严，允许一定的丢失率，该类业务对应于区分服务DiffServ中的确保转发AF业务；低等级业务没有服务质量QoS要求，即传统的Internet业务，该类业务可对应于区分服务DiffServ中的尽力服务BE业务。
(2)为不同等级业务进行选路处理为不同的网络选路层次l＝1，2，3设置合适的带宽颗粒度bl，根据连接请求带宽，将该请求归入相应的初始网络选路层lin，令网络层次变量l＝lin。按请求带宽在第lin层网络进行链路剪枝，即除去第lin层网络中链路带宽小于请求带宽的所有链路。运行基于区分服务的多约束最短路径CSPF-DS算法为该连接请求选路。
(3)基于区分服务的多约束最短路径CSPF-DS算法处理基于区分服务的多约束最短路径CSPF-DS算法采用最短路径优先的Dijkstra算法，为业务选取源宿结点间途经链路权值总和最小的路径。链路权值综合考虑带宽利用率和跳数两个因素，即在带宽利用率相同时，选择跳数最少的路径。
首先根据链路的当前带宽利用率，将源宿点(s，d)间的链路集合的所有链路划分为4个子集。假设fl(l＝1，2，3)表示链路，c(fl)为其带宽容量，a(fl)为总可用带宽，则u(fl)＝1-a(fl)/c(fl)表示带宽利用率。用Asdl表示源宿点(s，d)间的链路集合，根据链路的当前带宽利用率，将∀fl∈Asdl]]>的所有链路划分为如下4个子集
fl∈LA,u(fl)≥UhighLB,Unor≤u(fl)<UhighLC,Ulow≤u(fl)<UnorLD,u(fl)<Ulow--[4]]]>其中(LA，LB，LC，LD)分别代表4种链路子集，(Uhigh，Unor，Ulow)分别表示高等级、常规等级、低等级三种业务的带宽利用率门限。
其次根据链路利用率u(fl)，实现链路集合划分的流程如下对所有fl∈Asdl,]]>计算带宽利用率u(fl)＝1-a(fl)/c(fl)if u(f1)≥UhighLA＝LA+{fl}else if Unor≤u(fl)＜UhighLB＝LB+{fl}else if Ulow≤u(fl)＜UnorLC＝LC+{fl}elseLD＝LD+{fl}。
然后根据链路fl(l＝1，2，3)所属的子集合，计算该链路fl∈Asdl]]>的链路权值，计算方法如下if p＝highw(fl)=Δfl∈LA1else]]>else if p＝normalw(fl)=2Δfl∈LAΔfl∈LB1else]]>elsew(fl)=3Δfl∈LA2Δfl∈LBΔfl∈LC1fl∈LD;]]>其中，Δ是一个大于1的常数。依据链路权值W(fl)，在当前第l层网络拓扑上运行Dijkstra算法。
根据选路成功与否，分别进行选路失败的层面处理或选路成功的层面处理。
第三步，对于运行联合路由选择算法选路失败的层面，判断2种情况
1)当CMRJS≤(Lh，Ln，Ll)和层次l≥2时，即多层资源联合调度算法MRJS调用次数CMRJS小于或等于该等级业务设定的上限，且层次l≥2时，调用多层资源联合调度算法MRJS调整当前选路第l层和其邻接第l-1层的链路间的映射关系Yl-1l[yfl-1fl(i，j)]El-1×El、第l层中结点间链路可用带宽a(i)fl、第l-1层中的结点间链路可用带宽a(i)fl-1、第l层和第(l-1)层的邻接相关结点间链路速率，并将网络层次l减1和调用次数CMRJS增1后，重新进行路由选择。
2)当CMRJS≤(Lh，Ln，Ll)和层次l≥2条件不成立时，即多层资源联合调度算法MRJS调用次数已达为该等级业务设定的上限或l＝1时，拒绝该连接请求。
第四步，对于运行联合路由选择算法选路成功的层面，接受该连接建立请求。根据是否首次选路成功，判断2种情况1)在首次选路成功时，减小初始选路层lin的所有层内相关结点间的传输带宽a(i)flin，更新第lin层的资源状态信息，即第l＝lin层网络已承载的业务矩阵Λl=[Λl(s,d)]Nl×Nl,]]>第l层网络的业务连接所途经的相邻链路Zl[zflΛl(i，j)]Rl×El；2)当不是首次选路成功时，减小初始选路层lin到当前选路层lp的所有层内相关结点间的传输带宽，并减小初始选路层lin到当前选路层lp的所有邻接的层间结点传输带宽，为用户业务请求建立传送通路；需要更新第lin层到当前选路第lp层的所有层内相关结点间的传输带宽a(i)fl(l=lin~lp),]]>不同层网络邻接链路间的映射关系矩阵Yl-1l[yfl-1fl(i，j)]El-1×El(L＝lin～(lp+1))、不同层网络邻接结点间链路速率矩阵Hl-1l[hl-1l(i，j)]Nl-1×Nl(l＝lin～(lp+1))，还需更新第lin层到第lp层相关层的已承载的业务矩阵Λl=[Λl(s,d)]Nl×Nl,]]>第lp层网络的业务连接所途经的相邻链路Zl[zflΛl(i，j)]Rl×El。
如图4所示，在选路失败、连接拆除、定时器溢出3种事件发生时，按图4(a)到4(c)分别执行多层资源联合调度算法MRJS，对上述3种事件进行相应处理。前述联合路由选择算法中所指的调用多层资源联合调度算法MRJS，就是按图4(a)的流程进行。图4中的符号含义如下Asortedl表示对第l＝3，2层网络所有相邻链路按其瓶颈度从大到小的顺序，排序后的有序相邻链路集合；FMl表示第l＝3，2层网络的当前瓶颈度较高，且带宽利用率超过瓶颈度阈值的相邻链路集合，对于链路fMl∈FMl,]]>有wc(fMl)=Maxfl∈Asortedl[wc(fl)]]]>且u(fMl)>Tbol;]]>Qbwl表示第l＝3，2层网络的链路带宽调整颗粒度；δreql表示某个业务请求在第l＝3，2层网络的对应的链路请求带宽与链路可用带宽之差的绝对值；
Tboll表示第l＝3，2层网络的链路利用率u(fMl)的瓶颈度阈值；CNTbol表示瓶颈链路优化个数上限，其数值按下式计算 式中|FMl|表示集合FMl的元素个数，CNTbol0是瓶颈链路优化个数上限的预定值，可先设CNTbol0＝2或3。根据多层资源联合调度算法MRJS的实际优化效果和效率调整该参数，以取得效率和优化目标的折中。
如图4(a)所示，此时多层资源联合调度算法MRJS的步骤是1)调用公式[1]计算当前选路失败(s，d)间所有链路的瓶颈度，2)寻找和确定选路失败的源宿结点对间的链路瓶颈度最大的链路fMl，3)判断与fMl邻接的下层网络路径可用带宽是否大于或等于δreql，当条件满足时，用邻接下层路径的可用带宽直接为fMl增加带宽，否则，尝试为fMl重新选择可用带宽大于δreql的下层邻接路径，若失败，给出为fMl增加带宽失败信息。
如图4(b)所示，当从外部信令或管理实体处接收到释放连接请求时，多层资源联合调度算法MRJS按照网络层次编号递减的顺序，依次释放该连接在其选路层次及较低层次上所占用的带宽。
如图4(c)所示，当预置的周期性定时间隔到时，多层资源联合调度算法MRJS在l＝3，2层分别进行全局资源优化的处理过程，具体步骤是1)设置l＝3，即从第3层处开始；2)在第l层网络调用公式[5]对全网链路进行瓶颈度计算wc(fl)=β1×ΣiΣj=13bconn(i)j·q(j)q(3)·ΣiΣj=13bconn(i)j+β2×u(fl)+β3×(cfl-1-cfl)cfl-1---[5]]]>其中β1，β2，β3表示影响瓶颈度的3组参量的权值系数，通过动态调整权值，可改变3组参量在瓶颈度量计算中所占比重，要求β1+β2+β3＝1，式[5]其它参量的含义与式[1]相同；3)按瓶颈度量值从大到小对第l层所有链路排序，得到集合Asortedl；4)在集合Asortedl中，寻找链路利用率大于Tboll的链路，得到集合FMl；5)对于fMl∈FMl]]>链路，判断与fMl邻接的下层网络路径可用带宽是否大于或等于Qbwl，当条件成立时，用邻接下层路径的可用带宽直接为fMl增加带宽，否则，尝试为fMl重新选择可用带宽大于Qbwl的下层邻接路径，若失败，给出为fMl增加带宽失败信息；6)当瓶颈链路优化计数i小于或等于瓶颈链路优化个数上限CNTbol时，对下一个链路进行增加带宽；
7)网络层数减1，当层数大于或等于2时，重新进行第l层的全局资源优化。瓶颈链路优化个数应适中，链路优化个数太多则计算负荷较高，而链路优化个数太少则可能达不到预期优化目标，例如链路优化个数设为2或3。对于瓶颈链路，可直接从邻接下层路径的可用带宽池中，为该链路增加带宽，或对该链路对应的邻接下层网络路径进行重新选路，以间接增加带宽资源。
根据式[1]和式[5]分别设置权值系数(α1，α2，α3，α4)和(β1，β2，β3)，再依据多层资源联合调度算法MRJS的优化效果，重新设置权值系数(α1，α2，α3，α4)和(β1，β2，β3)，重复此过程，直到获得满意结果。已完成的仿真结果表明，较大的α2和β2数值能有效地降低呼叫拒绝率。
本发明提出的一种传送网分层、联合路由选择和多层资源联合调度的方法，既可用于已建成传送网的网络路由选择和资源优化，也可用于待建传送网的性能评估和网络传输、交换资源的优化配置。这种传送网分层式联合路由选择和资源优化的方法及装置，既可做为一个设备单独使用，也可将该方法及装置的功能集成在信令或资源管理设备中。
另外，本发明提出的一种传送网分层、联合路由选择和多层资源联合调度的方法，也适用于某一层有多个网络的情形。例如，在图2中，处于第2层的同一网络既可为第3层网络N31提供传输资源，也可为第3层网络N32提供传输资源。此时，需要在第3层设立2个分层式路由和资源管理器RRMs。在传送网分层式联合路由选择和资源优化方法方面，需增加第3层网络N32相关的变量，即同一层网络结点和相邻链路、本层结点与第2层的邻接结点连接关系矩阵、邻接结点链路速率矩阵和邻接链路映射矩阵，本发明提出的方法仍然有效。
本发明提出的一种传送网分层、联合路由选择和多层资源联合调度的方法，其优点是网络路由和资源管理考虑了网络的分层化，不同层次网络间相互作用，不同用户业务收益的差异，既满足用户需求，又做到资源的最合理利用，实现网络收益最大化，极大提高网络的整体可靠性，降低用户呼叫或服务请求的拒绝率。
为检验本发明提出的一种传送网分层、联合路由选择和多层资源联合调度方法的有效性，我们采用计算机仿真验证，如图5、图6、图7和图8。
参照图5，本发明计算机仿真所设定的条件如下1)网络第3层链路的最大配置带宽为622Mbit/s，第2层或电路层链路的最大配置带宽为2.5Gbit/s，第1层或光物理层链路的最大配置带宽为10Gbit/s；2)图5中的第3层网络结点Ri(i＝1，2，...，19)与第2层网络结点Aj(j＝1，2，...，19)的相同结点编号相连接，第2层网络结点Aj(j＝1，2，...，21)与第1层网络结点Ok(k＝1，2，...，21)的相同结点编号相连接，结点A22与结点O24相连接；
3)源宿结点对(s，d)在规定的第3层结点集合中以等概率随机产生，所有源、宿结点对间的业务强度均相同；4)业务连接请求的到达为泊松过程，到达速率服从均值为λ的泊松分布，业务连接的持续时间服从均值为1/μ的指数分布，仿真中采用1/μ＝2分钟和λ＝2.5-25个/分钟；5)业务等级按预先规定的业务等级比例随机产生，即高等级∶常规等级∶低等级＝0.3∶0.3∶0.4；6)假定网络的第3层相邻链路的最大归一化配置速率为1，各等级业务的请求带宽的取值范围如下Vhigh＝
，Vnormal＝
，Vlow＝
；7)根据请求的业务等级，业务请求带宽在相应的带宽范围内，按均匀分布随机产生；8)系统无等待队列，一旦连接请求被拒绝，则立即丢弃；9)每次仿真产生100000个第3层业务连接请求，结果数据为仿真运行1000次的统计平均值。
参照图6，为比较联合路由选择算法性能的改进，图中给出了高等级业务的联合路由选择算法和传统约束最短路径优先算法CSPF(Constrains-based Shortest Path First)的性能，此时联合路由选择算法不采用多层资源联合调度算法MRJS。鉴于业务所选路径的跳数/跳数方差是业务时延和时延抖动的重要性能指标，根据图5所选的特定结点对的跨距，对所选路径的长度做以下分类假设最短路径的跳数3≤hops≤4，次短路径的跳数5≤hops≤6，最长路径的跳数hops≥7。
图6中CASE1代表联合路由选择算法，CASE2代表传统约束最短路径优先CSPF算法，粗虚线代表跳数方差，细实线代表高等级的接纳业务个数。从图可看出随着业务强度的增加，联合路由选择算法由于具备业务区分能力，选择最短路径的高等级数目高于传统的约束最短路径优先CSPF算法。另外，采用具备业务区分能力的联合路由选择算法，可保证高等级业务的路径跳数始终在其跳数均值附近波动，即总是倾向于选择跳数最少的最短路径，而采用传统约束最短路径优先CSPF算法时，高等级业务的路径跳数方差变化较大。图6说明联合路由选择算法可保证高等级的业务选择较短路径，占用时间短、突发性大的低等级业务尽量选择较长的路径，从而避免低等级业务对高等级业务的冲击，实现为不同等级的业务提供不同的服务质量。
参照图7，为比较联合路由选择算法选路失败时，是否允许调用多层资源联合调度算法MRJS，是否允许定期调用多层资源联合调度算法MRJS条件下的性能，图中给出不同模式下的全部3种业务的呼叫拒绝率随输入业务强度变化图。图7中4种模式MODE1～MODE4的定义如下，其中SMRJS＝on/off表示联合路由选择算法选路失败时，是否允许调用多层资源联合调度算法MRJS，TMRJS＝on/off表示是否允许定期调用多层资源联合调度算法MRJS以进行全局资源优化1)MODE1SMRJS＝on和TMRJS＝on，即联合路由选择算法选路失败时，允许调用多层资源联合调度算法MRJS，且允许多层资源联合调度算法MRJS中的定期全局资源优化；2)MODE2SMRJS＝on和TMRJS＝off，即联合路由选择算法选路失败时，允许调用多层资源联合调度算法MRJS，而不允许多层资源联合调度算法MRJS中的定期全局资源优化；3)MODE3SMRJS＝off和TMRJS＝on，即联合路由选择算法选路失败时，不允许调用多层资源联合调度算法MRJS，允许多层资源联合调度算法MRJS中的定期全局资源优化；4)MODE4SMRJS＝off和TRJS＝off，即联合路由选择算法选路失败时，不允许调用多层资源联合调度算法MRJS，且不允许多层资源联合调度算法MRJS中的定期全局资源优化。
从图7可看出，不采用多层资源联合调度算法MRJS的MODE4的呼叫拒绝率，至少是其它3种模式的约6～60倍，这说明采用多层资源联合调度算法MRJS可大幅降低网络的呼叫拒绝率，提高网络资源利用率和性能。
参照图8，为比较MODE1～MODE3模式下的高等级业务的呼叫拒绝率，图中给出上述MODE1～MODE3模式下的高等级业务的呼叫拒绝率，随输入业务强度变化图。从图可看出，MODE1由于SMRJS＝on和TMRJS＝on，其呼叫拒绝率随业务强度增加的上升趋势最小；MODE2方式仅SMRJS＝on，其性能劣于MODE1，但两者差距较小；MODE3方式仅TMRJS＝on，其阻塞率上升趋势远大于于MODE1和MODE2，这是因为MODE1和MODE 2方式均采用选路失败时，调用多层资源联合调度算法MRJS，它对具有较高等级的业务选路失败事件均触发层间资源配置，而在TMRJS＝on条件下多层资源联合调度算法MRJS，只是周期性每隔一段时间对全网资源进行优化处理，降低了后续业务请求的阻塞率，而不针对当前的业务选路失败事件。从图8可见，SMRJS＝on时的多层资源联合调度算法MRJS的呼叫拒绝率，小于TMRJS＝on时的多层资源联合调度算法MRJS的呼叫拒绝率。
需说明的是，图7和图8的数据均是在α1∶α2∶α3∶α4＝1∶10∶1∶8和β1∶β2∶β3＝1∶2∶1.5条件下得到的。
权利要求
1.一种传送网的资源优化方法，按如下步骤进行(1)对传送网进行分层，即将传送网络分为M≥2层，从下层到上层依次称为第1、2、...、M层，并用数学表达式分别表示每一层的网络结点集合和连接相邻结点的链路集合、M-1个邻接的层间结点连接关系和网络结点链路速率及链路间的映射关系；(2)在分层后的各层传送网上，分别根据用户业务请求的源宿结点、业务等级、持续时间参数，结合网络各层资源占用情况，依据请求带宽选择初始选路层，运行联合路由选择算法，为从有关信令或管理实体处接收的连接请求原语，建立一个传送通路；(3)对于运行联合路由选择算法选路失败的网络层面，检查当前选路层l是否大于等于2和调用计数值CMRJS是否小于或等于设定的上限参数，当满足该条件时，首先调用多层资源联合调度算法MRJS，分别调整当前选路层和当前选路层的邻接层的结点资源配置，以及该两层链路的映射关系，实现网络资源的重新配置，然后运行联合路由选择算法，建立源结点到宿结点之间的传送通路，当不满足该条件时，拒绝该连接请求；(4)对于运行联合路由选择算法选路成功的网络层面，接受该连接请求，检查是否一次运行联合路由选择算法选路成功，当一次选路成功时，减小当前选路层的层内相关结点间的传输带宽，当多次选路成功时，减小初始选路层到当前选路层的所有层内相关结点间的传输带宽，并减小初始选路层到当前选路层的所有邻接的层间结点的传输带宽，为用户业务请求建立传送通路。
2.根据权利要求1所述的传送网的资源优化方法，其特征在于调用计数值CMRJS的上限参数设定为高等级业务Lh、常规等级业务Ln和低等级业务Ll，该上限参数间的关系是Lh≥Ln和Ll＝0。
3.根据权利要求1所述的传送网的资源优化方法，其特征在于表示每一层网络结点集合和连接相邻结点的链路集合的数学表达式分别是Gl＝(Vl，Al)和Fl[fl(i，j)]Nl×Nl，式中l＝1，2，…，MVl表示该层网络结点集合Al表示该层网络结点间的相邻链路集合Nl＝|Vl|表示第l层网络的结点数对_i，j∈Vl，
4.根据权利要求1所述的传送网的资源优化方法，其特征在于表示M-1个邻接的层间结点连接关系和网络结点链路速率及链路间的映射关系的数学表达式分别是Xl-1l[xl-1l(i，j)]Nl-1×Nl、Hl-1l[hl-1l(i，j)]Nl-1×Nl、Yl-1l[yfl-1fl(i，j)]El-1×El，式中l＝2，3，....，M，Nl-1＝|Vl-1|表示与第l层网络邻接的第l-1层网络的结点数，对_i∈Vl和j∈Vl-1，则 对_i∈Vl和j∈Vl-1，则 v(i，j)表示第l层结点i和第l-1层结点j间的传输速率；fl表示网络第l层的一条链路，fl-1表示网络第l-1层的一条链路，El＝|Al|表示第l层网络的链路数，El-1＝|Al-1|表示第l-1层网络的链路数，对_fl∈Fl和fl-1∈Fl-1，则
5.根据权利要求1所述的传送网的资源优化方法，其特征在于运行联合路由选择算法是在已知每一层的网络结点集合和连接相邻结点的链路集合、M-1个邻接的层间结点连接关系和网络结点链路速率及链路间的映射关系参数的条件下，按如下步骤进行(1)生成资源占用请求根据连接请求生成资源占用请求D＝{s，d，breq，p，t}，其中s代表源结点，d代表宿结点，breq代表以Mb/s为单位的请求带宽，p表示高等级、常规等级、低等级三种业务的等级，t代表该业务的持续时间；(2)为不同等级业务进行选路处理首先为不同的网络选路层次l＝1，2，...，M设置带宽颗粒度bl，再根据连接请求带宽，将该请求归入相应的初始网络选路层lin，令网络层次变量l＝lin，然后按请求带宽除去第l层网络中，链路带宽小于请求带宽的所有链路，通过运行基于区分服务的多约束最短路径CSPF-DS算法，为该连接请求选择通路。
6.根据权利要求1所述的传送网的资源优化方法，其特征在于运行联合路由选择算法选路失败时，调用多层资源联合调度算法MRJS的过程为(1)计算当前选路失败源宿结点间的所有路径上链路fl的瓶颈度wc(fl)，该瓶颈度的计算公式是wc(fl)=α1×ΣiΣj=13bconn(i)j·q(j)q(3)·ΣiΣj=13bconn(i)j+α2×u(fl)+α3×(brep-a(fl))brep×g(brep-a(fl))+α4×(cfl-1-cfl)cfl-1]]>式中函数 fl表示链路，l＝M，...，3，2是按递减顺序进行瓶颈链路搜索的网络层次，α1，和α2，和α3，α4表示影响瓶颈度的4组参量的权值系数，通过动态调整权值，可改变
4组参量在瓶颈度量计算中所占比重，要求和α1+α2+α3+α4＝1，bconn(i)j表示第l层网络的链路fl已承载的业务连接conn(i)所占用的带宽，其业务类型为j，q(j)表示已承载业务j的业务等级，u(fl)表示链路fl的利用率，u(fl)＝(c(fl)-和(fl))/c(fl)，其中c(fl)是链路fl的带宽容量，a(fl)是链路fl的可用容量，breq表示当前业务请求D的请求带宽，cfl-1表示链路fl在第l-1层网络的映射链路的配置带宽，cfl表示链路fl在第l层网络的链路带宽；(2)在当前选路失败源宿结点间的路径上的所有链路中，寻找链路瓶颈度最大的链路fMl；(3)对于链路fMl的下层网络邻接链路的可用容量大于或等于请求容量的链路，将下层网络邻接链路的带宽增加给链路fMl；(4)对于链路fMl的下层网络邻接链路的可用容量小于请求容量的链路，尝试为链路fMl重新选择可用容量大于或等于请求容量的下层网络邻接链路，如果成功，将下层网络邻接链路的带宽增加给链路fMl，否则，返回链路fMl带宽增加失败信息。
7.根据权利要求1或6所述的传送网的资源优化方法，其特征在于调用多层资源联合调度算法MRJS，也可定期进行，具体步骤是(1)设置l＝M，即从第M层处开始；(2)在第l层网络调用如下公式对全网链路进行瓶颈度计算wc(fl)=β1×ΣiΣj=13bconn(i)j·q(j)q(3)·ΣiΣj=13bconn(i)j+β2×u(fl)+β3×(cfl-1-cfl)cfl-1]]>式中β1，β2，β3表示影响瓶颈度的3组参量的权值系数，通过动态调整权值，可改变3组参量在瓶颈度量计算中所占比重，要求β1+β2+β3＝1；(3)按瓶颈度量值从大到小对第l层所有链路排序，得到集合Asortedl；(4)在集合Asortedl中，寻找链路利用率大于链路利用率阀值Tboll的链路，得到集合FMl；(5)对于链路fMl∈FMl,]]>判断与fMl邻接的下层网络路径可用带宽是否大于或等于链路带宽调整颗粒度Qbwl，当该条件满足时，用邻接下层路径的可用带宽直接为fMl增加带宽，否则，尝试为fMl重新选择可用带宽大于Qbwl的下层邻接路径，若失败，给出为fMl增加带宽失败信息；(6)判断瓶颈链路优化计数i是否小于或等于瓶颈链路优化个数上限CNTbol，当条件成立时，对下一个链路进行增加带宽；(7)将网络层数l减1，当层数大于或等于2时，从步骤(2)开始，重新进行第l层的全局资源优化。
全文摘要
本发明公开一种传送网分层、联合路由选择和多层资源联合优化的方法，主要解决传统网络资源利用方法中的网络分层数目少、未考虑不同层网络间资源协调，无法实现网络资源利用的整体优化问题。该方法包括以下步骤1)对网络进行分层表示；2)根据业务请求带宽及等级、链路带宽利用率、邻接的层间链路传输速率、跳数等参数联合选择路由；3)根据联合选择路由的结果调用多层资源联合调度算法MRJS；4)定期调用多层资源联合调度算法MRJS以优化资源配置；5)执行算法运行结果。本发明通过引入传送网分层、联合路由选择和多层资源联合优化的方法，能大幅度提高网络资源利用率，保证高等级业务的服务质量，降低业务请求的拒绝率。
文档编号H04L12/24GK1688133SQ20051004194
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月11日 优先权日2005年4月11日
发明者徐展琦, 王建利, 郭勇, 孙勇 申请人:西安电子科技大学, 武汉邮电科学研究院