考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配方法、系统。

背景技术：

在频谱灵活光网络中，一方面，为了提高光网络资源的利用率，充分利用频谱资源承载业务的带宽需求，以保障频谱灵活光网络具备最大的吞吐量；另一方面，为了保证业务传输过程中的服务质量，每一个业务请求需要配备一条传输的工作路径和一条备份的保护路径，减少业务请求因频谱灵活光网络发生故障而引起的业务中断。相比于传统波分复用(wdm)光网络的保护方式，频谱灵活光网络对业务保护更加复杂，因为在传统波分利用光网络中，业务请求业务的带宽资源往往是某个波长，而频谱灵活光网络中，业务请求占用的带宽是一组频谱隙集合，而频谱隙的分配需要服从频谱连续性和频谱一致性两个约束条件。可见，在频谱灵活光网络中如何选择业务请求的路由和如何在所选择的路由上分配频谱资源将成为一个关键问题。

为了使业务请求具备生存性，需要为每一个业务请求建立一条工作路径和一条链路不相交的保护路径。为了更充分利用光网络的频谱资源，在保护路径上，采用频谱资源共享的方式来实现业务请求的生存性。目前，在频谱灵活光网络中，为了使业务请求具备生存性，对业务请求采用专用保护和共享保护方式来保证业务请求的服务质量。特别地，若考虑共享保护，通常采用两种不同的方法，它们描述如下：

(1)传统共享保护方法。对于每一个业务请求，利用最短路径算法计算一条工作路径和一条链路不相交的保护路径，若这两条工作路径和保护路径都建立成功，然后采用首次命中的方法在所建立的路径上查找并分配频谱资源，这里分配的频谱资源必须满足频谱连续性和频谱一致性的约束条件。特别地，在保护路径上，尽可能地利用已有的保护资源进行分配频谱，然而，这种方法并没有充分考虑频谱资源共享特性。

(2)业务资源占用不相交共享保护方法。对于每一个业务请求，1)首先利用k条最短路径算法计算k条工作路径，然后利用首次命中的方法在这k条路径中查找频谱资源，选择出一条有可用频谱资源的工作路径，并在所选择的工作路径上预留这个业务请求的带宽资源。2)为了保证工作路径和保护路径具有链路不相交的特性，把这个业务请求所选择的工作路径删除，然后利用k条最短路径算法计算k条保护路径。3)在所建立的k条保护路径中，若已经预留的频谱隙数目与当前需要建立的业务请求的带宽需求大小不一样时，删除所有已经预留的保护频谱资源，然后再查找相应的共享保护频谱资源，若找到频谱资源，预留业务请求需要的频谱资源，以充分利用已经建立的共享保护资源。

可见，在频谱灵活光网络中，虽然上述两种方面解决了业务请求的路由与频谱分配问题，但并没有对业务请求所建立的传输的工作路径和保护路径进行联合故障概率的评估。

鉴于上述的缺陷，为了更好地满足用户的带宽需求，本发明积极加以研究创新，以期创设一种考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配方法、系统，使其更具有产业上的利用价值。在建立业务请求的过程中，需要建立一条工作路径和一条保护路径，并在所选择的路径中分配频谱资源，特别地，在保护路径上分配频谱隙能够被共享，以保证频谱灵活光网络的资源效率最大化。

技术实现要素：

为解决上述考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配问题，本发明的目的是提供一种通过设置不同的优化目标调节参数，形成频谱资源与联合故障概率之间的主要优化目标和次要优化目标，以使所建立的业务请求更好地使网络资源与业务请求具备更好的生存能力，达到频谱资源最优化与业务请求的联合故障概率最小化的均衡性，形成考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配方法、系统。

本发明考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配方法，包括：

产生一组业务请求td，其中，每一个业务请求用td(s,d,fss,d,mtfps,d)∈td表示，s和d分别表示业务请求的源节点和目的节点，并且s≠d，fss,d代表业务请求的带宽需求，mtfps,d表示业务请求的最大可容忍故障概率阈值；

建立业务请求的工作路径w和共享保护路径b，设定工作路径w和共享保护路径b的故障事件是相互独立事件，以工作路径w的故障概率和共享保护路径b的故障概率的相乘为共享保护的联合故障概率，公式表示如下：

其中，所述的联合故障概率小于或等于业务请求的最大可容忍故障概率阈值，公式表示为：

设置频谱灵活光网络的频谱资源与联合故障概率最小化为多目标优化函数，所述多目标优化函数是指：以工作路径的频谱资源和共享保护路径的频谱资源占用数目最小化，工作路径和共享保护路径上的联合故障概率最小化为多目标联合优化，并且设置不同的优化目标调节参数，形成主要优化目标和次要优化目标；其中，所述多目标优化函数要满足的约束条件包括：业务请求的带宽流量守恒约束条件、频谱一致性约束条件、频谱连续性约束条件、工作路径与共享保护路径对选择唯一性约束条件、频谱隙占用唯一性约束条件、频谱共享约束条件、频谱隙最大共享度约束条件、最大可容忍故障概率阈值约束条件；基于多目标优化函数需要满足的约束条件，得到多目标优化函数的最优解，完成考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配。

进一步地，包括对频谱灵活光网络g(v,e,f)进行初始化，设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目、每一条光纤链路的故障概率，其中，v、e、f分别表示频谱灵活光网络的所有光交换节点集合、所有光纤链路集合、每条光纤链路的所有频谱隙集合，即v＝{v1,v2,…,vk,…,v|v|}、e＝{e1,e2,…,ek,…,e|e|}、f＝{1,2,…,fk,…,f|f|}；|v|、|e|、|f|分别表示频谱灵活光网络的光交换节点数目、光纤链路数目、频谱隙数目；设置频谱灵活光网络的每一条光纤链路的故障概率，其中第ek条光纤链路的故障概率为

进一步地，工作路径上的故障概率计算公式以下：

其中w、f(w)、ei、分别表示工作路径w、工作路径w的故障概率、ei∈w表示在工作路径上的一条光纤链路、光纤链路的故障概率；在计算工作路径中，频谱隙没有被其它业务请求所共享；

在共享保护路径上的故障概率为：

其中，f(b)和b分别表示共享保护路径的故障概率和业务请求所选择的共享保护路径；

在计算共享保护路径中，已经预留的频谱隙能够被不同的业务请求所共享，在共享保护路径上的某一条链路ej上，为每一个频谱隙设定最大的业务请求共享个数，这个业务请求共享个数称为最大频谱共享度，用符号表示；由于当频谱灵活光网络发生故障时，某一个共享的频谱隙上所有业务请求都有可能受到损失，并且只有其中一个业务请求能够被恢复，所以成功恢复的概率为在共享保护路径上，某一条链路ej上的业务请求可生存的概率为其中为共享保护路径的链路ej的故障概率。

进一步地，多目标优化函数具体描述为：在频谱灵活光网络中g(v,e,f)，给定一组业务请求td，并预先配置频谱灵活光网络的每一节点对之间的|κ|组备选工作路径和共享保护路径，用wb^s，d表示，其中第k组工作路径和共享保护路径为

设置优化目标参数α和设置每一个频谱隙的最大共享度目标函数使给定一组业务请求td在频谱灵活光网络g(v,e,f)的所有光纤链路e中占用频谱隙f的数目和选择工作路径和共享保护路径的联合故障概率最小化，用以下式子表示：

其中，用(s,d)表示业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)；参数α∈(0，1)表示调节主要优化目标和次要优化目标的权重；和表示二进制变量；w^s，d表示从源节点s到目的节点d的所有工作路径集合，即表示从源节点s到目的节点d的第k组路径对中的工作路径；ei表示在工作路径中的第i条光纤链路；ej表示在频谱灵活光网络中的第j条光纤链路；f∈f表示编号为f的频谱隙；k∈κ表示任一节点对的第k组路径对，即第k组工作路径和保护路径；表示从源节点s到目的节点d的第k组路径对的联合故障概率。

进一步地，以工作路径的频谱资源和共享保护路径的频谱资源占用数目最小化为主要优化目标，以在工作路径和共享保护路径上的联合故障概率最小化为次要优化目标。

进一步地，所述的多目标优化函数的约束条件具体包括：

(1)业务请求的带宽流量守恒约束条件：每一个从源节点s到目的节点d的业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)在工作路径上的任意一条光纤链路ei流过的带宽流量等于业务请求的带宽需求，用公式表示为：

业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)在共享保护路径上的任意光纤链路ej流过的带宽流量也等于这个业务请求的带宽需求，用公式表示为：

其中，是已知二进制常量，它表示从源节点s到目的节点d的业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)，若经过工作路径上的光纤链路ei，否则是已知二进制常量，它表示从源节点s到目的节点d的业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)，若经过保护路径上的光纤链路ej，否则fss,d表示业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)的带宽需求；

(2)频谱一致性约束条件：对于每一个业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)，在工作路径的任意两条不同光纤链路ei和en上所预留的频谱隙编号f必须一致相同，用公式表示为：

在共享保护路径的任意两条不同光纤链路ej和em上所预留的频谱隙编号f也保证一致相同，用公式表示为：

(3)频谱连续性约束条件：在工作路径和共享保护路径上，每一个业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)选择的频谱隙必须满足频谱连续性约束条件，在工作路径上，当二进制变量和时，编号大于或等于f+2的频谱隙没有被任何其它业务请求占用，用公式表示为：

当二进制变量编号小于f的频谱隙已被业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)占用，用公式表示为：

同样，在共享保护路径上，二进制变量与工作路径的二进制变量特点一样；

当和时，编号大于或等于f+2的频谱隙没有被任何业务请求占用，即用公式表示为：

当编号小于f的频谱隙已经被业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)占用，用公式表示为：

其中，θ表示一个大于|f|×(|v|-1)的整数值，其中|v|-1表示在频谱灵活光网络中所有节点对之间路径的最大跳数；

(4)工作路径与共享保护路径对选择唯一性约束条件：对于每一个业务请求，在κ组工作路径和共享保护路径对中，有且仅有一组工作路径和保护路径对被用于传输业务请求的带宽资源，这个约束条件用公式(14)表示为：

(5)频谱隙占用唯一性约束条件。在任意一条光纤链路ei上，编号为f的频谱隙只能被预留为一个业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)的工作频谱资源或是共享保护频谱资源，用公式表示为：

(6)频谱共享约束条件：在共享保护路径的光纤链路ej上，判断编号为f的频谱隙是否预留为一组业务请求的共享频谱资源，用以下两公式表示：

(7)频谱隙最大共享度约束条件：在共享保护路径的光纤链路ej上，编号为f的频谱隙不能被大于个业务请求所共享，用公式表示为：

(8)最大可容忍故障概率阈值约束条件：每一个业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)预留的工作路径和保护路径的联合故障概率小于或等这个业务请求的最大可容忍故障概率阈值，用公式表示为：

本发明考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配系统，包括：业务请求产生模块、工作路径和共享保护路径的配置模块、共享保护的联合故障概率计算模块、多目标优化函数模块、多目标优化函数约束条件管理模块、目标函数优化解存储模块；

所述业务请求产生模块，用于产生一组业务请求，包括业务请求的源节点、目的节点、带宽需求、最大可容忍故障概率阈值；其中，每一个业务请求用td(s,d,fss,d,mtfps,d)∈td表示，其中s和d分别表示业务请求的源节点和目的节点，并且s≠d，fss,d代表业务请求的带宽需求，mtfps,d表示业务请求的最大可容忍故障概率阈值；

所述工作路径和共享保护路径的配置模块，利用通过k条最短路径算法计算任何一个节点对之间的工作路径和保护路径组，形成从源节点s到目的节点d的所有路径对的集合，即形成其中，节点对(s,d)的第k组工作路径和共享保护路径为把频谱灵活光网络的所有节点对之间预先配置工作路径和共享保护路径组；

所述共享保护的联合故障概率计算模块，用于利用共享保护的联合故障概率计算公式，计算从源节点s到目的节点d的所有工作路径和保护对的联合故障概率集合，即其中表示从源节点s到目的节点d的第k组工作路径和保护路径的联合故障概率，把频谱灵活光网络的所有节点的工作路径的保护路径的联合故障概率都预先计算完成；

其中，工作路径上的故障概率计算公式为：

在共享保护路径上的故障概率计算公式为：

其中f(w)、w、ei、分别表示工作路径w的故障概率值、ei∈w表示在工作路径上的一条光纤链路、光纤链路的故障概率；在计算工作路径中，频谱隙没有被其它业务请求所共享；f(b)和b分别表示共享保护路径的故障概率和业务请求所选择的共享保护路径。

所述多目标优化函数模块，用于根据设置的多重优化目标，形成一组业务请求占用的频谱资源和联合故障概率最小化的多目标优化函数，其中，所述多目标优化函数是指：以工作路径的频谱资源和共享保护路径的频谱资源占用数目最小化，工作路径和共享保护路径上的联合故障概率最小化为多目标联合优化，并且设置不同的优化目标调节参数，形成主要优化目标和次要优化目标；

所述多目标优化函数约束条件管理模块，用于提供多目标优化函数的约束条件，包括了8个不同的子模块：

(1)业务请求的带宽流量守恒约束条件子模块，用于业务请求从源节点到目的节点的带宽流量相等原则，即源节点流出流量与目的节点流入流量的绝对值大小相等，由于业务流量经过中间节点存在流入与流出属性，并且流量大小一样，所以中间节点流量之差为0；

(2)频谱一致性约束条件子模块，用于对于每一个业务请求，在工作路径或共享保护路径上所预留的频谱隙编号必须一致相同；

(3)频谱连续性约束条件子模块，用于要求每一个业务请求的频谱隙选择必须满足连续的编号要求，不能够出现间隔的情况；

(4)工作路径与共享保护路径对选择唯一性约束条件子模块，用于对于每一个业务请求，在k组工作路径和共享保护路径对中，有且仅有一组路径被选择为业务请求的工作路径和共享保护路径；

(5)频谱隙占用唯一性约束条件子模块，用于在任意一条光纤链路上，每一个频谱隙只能被预留为一个业务请求的工作频谱资源或是共享保护频谱资源；

(6)频谱共享约束条件子模块，用于在共享保护路径的光纤链路上，每一个频谱隙能够被多个业务请求所共享；

(7)频谱隙最大共享度约束条件子模块，用于在共享保护路径的光纤链路ej上，某个编号为f的频谱隙共享的业务请求数目不能大于频谱隙最大共享度；

(8)最大可容忍故障概率阈值约束条件子模块，业务请求在建立工作路径和共享保护过程中，所选择工作路径和共享保护路径的联合故障概率必须小于或等于业务请求的最大可容忍故障概率，否则业务请求所选择的工作路径和共享保护路径无法满足存在故障风险要求；

所述目标函数优化解存储模块，用于根据设定的最优化目标函数，已知不同业务请求数目，设置多目标优化函数调节参数α，运行多目标优化函数模块，在满足所述多目标优化函数约束条件管理模块包含的所有约束条件，获得多目标优化函数的最优解，记录并存储最优解。

进一步地，还包括频谱灵活光网络初始化模块，用于设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目、每一条光纤链路的故障概率。

进一步地，还包括网络状态监控模块，用于对频谱灵活光网络参数初始化、业务请求产生、设置频谱资源的最大共享度、工作路径与共享保护路径的联合故障概率计算、多目标优化函数、多目标优化函数的约束条件进行实时有效监控。

进一步地，还包括：最优化目标评估模块，根据目标函数获得的最优解，对所得结果进行评估分析，确保给定已知一组业务请求的频谱资源占用和共享保护的联合故障概率达到最小化。

借由上述方案，本发明考虑联合故障概率约束的共享保护路由与频谱分配方法和系统至少具有以下优点：

本发明对业务请求建立了工作路径与链路不相交的共享保护路径，并对工作路径和共享保护路径的联合故障概率进行评估，共享保护的联合故障概率的大小必须满足业务请求的最大可容忍故障概率阈值，以减少业务请求在传输过程中存在发生故障风险，保证业务请求在传输过程的服务质量。在所选择的工作路径和链路不相交的共享保护路径上，基于业务请求的带宽需求，分配业务请求的频谱资源，解决业务请求的路由与频谱分配问题。以频谱资源占用和共享保护的联合故障概率最小化为多目标优化函数，满足业务请求的带宽流量守恒约束条件、频谱一致性约束条件、频谱连续性约束条件、工作路径与共享保护路径对选择唯一性约束条件、频谱隙占用唯一性约束条件、频谱共享约束条件、频谱隙最大共享度约束条件、最大可容忍故障概率阈值约束条件，获得频谱资源占用与联合故障概率最优化解，解决考虑联合故障概率约束的共享保护路由与频谱分配问题，提高频谱灵活光网络的资源效率，减少业务请求传输的故障概率，保证了业务请求的生存性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明考虑联合故障概率约束的共享保护路由与频谱分配方法的流程图；

图2是本发明考虑联合故障概率约束的共享保护路由与频谱分配系统的框图；

图3是本发明考虑联合故障概率约束的共享保护路由与频谱分配方法，具体实例中频谱灵活光网络的光纤链路的故障概率数值大小；

图4是本发明考虑联合故障概率约束的共享保护路由与频谱分配方法，具体实例中三个业务请求td1(1,2,2,0.00073)、td2(1,2,2,0.00073)、td3(1,2,2,0.00073)的路由与频谱分配方法的最优解。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明为了实现一组业务请求占用频谱资源和共享保护的联合故障概率最小化的目标。首先对频谱灵活光网络g(v,e,f)进行初始化，包括频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目、每一条光纤链路的故障概率；其次，产生一组业务请求，包括业务请求的源节点、目的节点、带宽需求、最大可容忍故障概率阈值；最后，设置可调节参数α和频谱最大共享度，基于联合故障概率约束的共享保护路由与频谱分配的目标函数，满足多目标优化函数的业务请求的带宽流量守恒约束条件、频谱一致性约束条件、频谱连续性约束条件、工作路径与共享保护路径对选择唯一性约束条件、频谱隙占用唯一性约束条件、频谱共享约束条件、频谱隙最大共享度约束条件、最大可容忍故障概率阈值约束条件，获得频谱资源占用与联合故障概率最优化解。

实施例1

如图1所示，本实施例考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配方法，包括：

对频谱灵活光网络g(v,e,f)进行初始化，其中，v、e、f分别表示频谱灵活光网络的所有光交换节点集合、所有光纤链路集合、每条光纤链路的所有频谱隙集合，即v＝{v1,v2,…,vk,…,v|v|}、e＝{e1,e2,…,ek,…,e|e|}、f＝{1,2,…,fk,…,f|f|}；|v|、|e|、|f|分别表示频谱灵活光网络的光交换节点数目、光纤链路数目、频谱隙数目；设置频谱灵活光网络的每一条光纤链路的故障概率，其中第ek条光纤链路的故障概率为产生一组业务请求td，其中，每一个业务请求用td(s,d,fss,d,mtfps,d)∈td表示，这里s和d分别表示业务请求的源节点和目的节点，并且s≠d，fss,d代表业务请求的带宽需求，mtfps,d表示业务请求的最大可容忍故障概率阈值。

业务请求在建立工作路径和共享保护路径中，工作路径与共享保护路径的联合故障概率必须满足业务请求最大可容忍故障概率阈值，即业务请求的工作路径与共享保护路径的联合故障概率小于或等于它的最大可容忍故障概率阈值。

1)在计算工作路径中，由于频谱隙没有被其它业务请求所共享，所以工作路径上的故障概率由以下公式计算所得：

其中w、f(w)、ei、分别表示工作路径w、工作路径w的故障概率、ei∈w表示在工作路径上的一条光纤链路、光纤链路的故障概率。

2)在计算共享保护路径中，已经预留的频谱隙能够被不同的业务请求所共享。为了减少业务请求因发生多故障而引起的业务中断，在共享保护路径上的某一条链路ej上，需要为每一个频谱隙设定最大的业务请求共享个数，这个业务请求共享个数称为最大频谱共享度，用符号表示。由于当频谱灵活光网络发生故障时，某一个共享的频谱隙上所有业务请求都有可能受到损失，并且只有其中一个业务请求能够被恢复，所以成功恢复的概率为在共享保护路径上，某一条链路ej上的业务请求可生存的概率为其中为共享保护路径的链路ej故障概率。因此，在共享保护路径上的故障概率为：

这里f(b)和b分别表示共享保护路径的故障概率和业务请求所选择的共享保护路径。

若认为工作路径w和共享保护路径b的故障事件是相互独立事件，它们的故障概率是相乘的形式，称为共享保护的联合故障概率。因此，共享保护的联合故障概率为：

由于业务请求在建立工作路径和保护路径过程中，必须满足业务请求最大可容忍故障概率阈值，这个约束条件可用公式(4)表示：

设置基于联合故障概率约束的共享保护路由与频谱分配的目标函数，即以频谱灵活光网络的频谱资源占用数目和联合故障概率最小化为多目标优化函数，它由主要优化目标和次要优化目标组成，并且可通过调节参数α的大小实现不同的优化目标比重。

本实施例中，多目标优化函数可以描述为：在频谱灵活光网络中g(v,e,f)，给定一组业务请求td，并预先配置频谱灵活光网络的每一节点对之间的|κ|组备选工作路径和保护路径，用wb^s，d表示，这里其中第k组工作路径和共享保护路径为设置优化目标参数α和设置每一个频谱隙的最大共享度目标函数使给定一组业务请求td在频谱灵活光网络g(v,e,f)的所有光纤链路e中占用频谱隙f的数目和选择工作路径和保护路径的联合故障概率最小化，它可以用以下式子(5)表示：

这里，用(s,d)表示业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)；w^s，d表示从源节点s到目的节点d的所有工作路径集合，即表示从源节点s到目的节点d的第k组路径对中的工作路径；ei表示在工作路径中的第i条光纤链路；ej表示在频谱灵活光网络中的第j条光纤链路；f∈f表示编号为f的频谱隙；k∈κ表示任一节点对的第k组路径对，即第k组工作路径和保护路径；表示从源节点s到目的节点d的第k组路径对的联合故障概率。

本实施例中，主要优化目标是使工作路径的频谱资源和共享保护路径的频谱资源占用数目最小化，即式(5)第一部分和第二部分；次要优化目标是使在工作路径和共享保护路径上的联合故障概率最小化，即式(5)第三部分。

参数α∈(0，1)表示调节主要优化目标和次要优化目标的权重，minimize表示一组业务请求的频谱隙占用和联合故障概率最小化的操作。在实际应用中还可以参数α∈(0，1)为不同的数据调节主要优化目标和次要优化目标的权重。和表示二进制变量；一方面，利用二进制变量求解一组给定的业务请求td在工作路径上的所有链路占用最小的频谱隙数目；另一方面，利用二进制变量求解一组给定的业务请求td在频谱灵活光网络所有光纤链路ej∈e上的占用最小的共享频谱隙数目；最后，通过二进制变量求解一组给定的业务请求td的最小联合故障概率。

以频谱灵活光网络的频谱资源占用数目和联合故障概率最小化为多目标优化函数必须满足以下约束条件，具体包括：

1)业务请求的带宽流量守恒约束条件。一方面，每一个从源节点s到目的节点d的业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)在工作路径上的任意一条光纤链路ei流过的带宽流量等于这个业务请求的带宽需求，可以用式子(6)表示。另一方面，业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)在保护路径上的任意光纤链路ej流过的带宽流量也等于这个业务请求的带宽需求，可以用式子(7)表示。

其中，是已知二进制常量，它表示从源节点s到目的节点d的业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)，若经过工作路径上的光纤链路ei，否则是已知二进制常量，它表示从源节点s到目的节点d的业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)，若经过共享保护路径上的光纤链路ej，否则fss,d表示业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)的带宽需求。

2)频谱一致性约束条件。对于每一个业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)，在工作路径的任意两条不同光纤链路ei和en上所预留的频谱隙编号f必须一致相同，用式(8)表示；同样，在保护路径的任意两条不同光纤链路ej和em上所预留的频谱隙编号f也保证一致相同，用式(9)表示。

3)频谱连续性约束条件。在工作路径和共享保护路径上，每一个业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)选择的频谱隙必须满足频谱连续性约束条件。在工作路径上，当二进制变量和时，编号大于或等于f+2的频谱隙没有被任何其它业务请求占用，即用(10)式表示；当二进制变量编号小于f的频谱隙已被业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)占用，用(11)式表示。同样，在共享保护路径上，二进制变量与工作路径的二进制变量特点一样。当和时，编号大于或等于f+2的频谱隙没有被任何业务请求占用，即用(12)式表示；当编号小于f的频谱隙已经被业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)占用，用(13)式表示。

其中，θ表示一个大于|f|×(|v|-1)的整数值，其中|v|-1表示在频谱灵活光网络中所有节点对之间路径的最大跳数。

4)工作路径与共享保护路径对选择唯一性约束条件。对于每一个业务请求，在κ组工作路径和共享保护路径对中，有且仅有一组工作路径和保护路径对被用于传输业务请求的带宽资源，这个约束条件可以用式子(14)表示。

5)频谱隙占用唯一性约束条件。在任意一条光纤链路ei上，编号为f的频谱隙只能被预留为一个业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)的工作频谱资源或是共享保护频谱资源，用式子(15)描述：

6)频谱共享约束条件：在共享保护路径的光纤链路ej上，判断编号为f的频谱隙是否预留为一组业务请求的共享频谱资源，用式子(16)和(17)描述。

7)频谱隙最大共享度约束条件：在共享保护路径的光纤链路ej上，编号为f的频谱隙不能被大于个业务请求所共享。

8)最大可容忍故障概率阈值约束条件：每一个业务请求td(s,d,fss,d,mtfps,d)预留的工作路径和保护路径的联合故障概率小于或等这个业务请求的最大可容忍故障概率阈值，即用以下式子(19)表示：

实施例2

如图2所示，本实施例考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配系统，包括：业务请求产生模块、工作路径和共享保护路径的配置模块、共享保护的联合故障概率计算模块、多目标优化函数模块、多目标优化函数约束条件管理模块、目标函数优化解存储模块；

所述业务请求产生模块，用于产生一组业务请求，包括业务请求的源节点、目的节点、带宽需求、最大可容忍故障概率阈值；其中，每一个业务请求用td(s,d,fss,d,mtfps,d)∈td表示，其中s和d分别表示业务请求的源节点和目的节点，并且s≠d，fss,d代表业务请求的带宽需求，mtfps,d表示业务请求的最大可容忍故障概率阈值；

所述工作路径和共享保护路径的配置模块，用于通过k条最短路径算法计算任何一个节点对之间的工作路径和保护路径组，形成从源节点s到目的节点d的所有路径对的集合，即形成其中，节点对(s,d)的第k组工作路径和共享保护路径为把频谱灵活光网络的所有节点对之间预先配置工作路径和共享保护路径组；

所述共享保护的联合故障概率计算模块，用于利用共享保护的联合故障概率计算公式，计算从源节点s到目的节点d的所有工作路径和保护对的联合故障概率集合，即其中表示从源节点s到目的节点d的第k组工作路径和保护路径的联合故障概率，把频谱灵活光网络的所有节点的工作路径的保护路径的联合故障概率都预先计算完成；

其中，工作路径上的故障概率计算公式为：

在共享保护路径上的故障概率计算公式为：

其中，w、f(w)、ei、分别表示工作路径w、工作路径w的故障概率值、ei∈w表示在工作路径上的一条光纤链路、光纤链路的故障概率；在计算工作路径中，频谱隙没有被其它业务请求所共享；f(b)和b分别表示共享保护路径的故障概率和业务请求所选择的共享保护路径；

所述多目标优化函数模块，用于根据已知一组业务请求td(s,d,fss,d,mps,d)和频谱灵活光网络g(v,e,f)的配置信息，设置所有业务请求在频谱灵活光网络中占用的频谱资源最小化为主要优化目标，根据设置的多重优化目标，形成一组业务请求占用的频谱资源和联合故障概率最小化的多目标优化函数，其中，所述多重优化目标是指：以工作路径的频谱资源和共享保护路径的频谱资源占用数目最小化，工作路径和共享保护路径上的联合故障概率最小化为多目标联合优化目标，并且设置不同的优化目标调节参数，形成主要优化目标和次要优化目标；

所述多目标优化函数约束条件管理模块，用于提供多目标优化函数的约束条件，包括了8个不同的子模块：

(1)业务请求的带宽流量守恒约束条件子模块，用于业务请求从源节点到目的节点的带宽流量相等原则，即源节点流出流量与目的节点流入流量的绝对值大小相等，由于业务流量经过中间节点存在流入与流出属性，并且流量大小一样，所以中间节点流量之差为0；

(2)频谱一致性约束条件子模块，用于对于每一个业务请求，在工作路径或共享保护路径上所预留的频谱隙编号必须一致相同；

(3)频谱连续性约束条件子模块，用于要求每一个业务请求的频谱隙选择必须满足连续的编号要求，不能够出现间隔的情况；

(4)工作路径与共享保护路径对选择唯一性约束条件子模块，用于对于每一个业务请求，在k组工作路径和共享保护路径对中，有且仅有一组路径被选择为业务请求的工作路径和共享保护路径；

(5)频谱隙占用唯一性约束条件子模块，用于在任意一条光纤链路上，每一个频谱隙只能被预留为一个业务请求的工作频谱资源或是共享保护频谱资源；

(6)频谱共享约束条件子模块，用于在共享保护路径的光纤链路上，每一个频谱隙能够被多个业务请求所共享；

(7)频谱隙最大共享度约束条件子模块，用于在共享保护路径的光纤链路ej上，某个编号为f的频谱隙共享的业务请求数目不能大于频谱隙最大共享度；

(8)最大可容忍故障概率阈值约束条件子模块，用户业务请求在建立工作路径和共享保护过程中，所选择工作路径和共享保护路径的联合故障概率必须都小于或等于业务请求的最大可容忍故障概率，否则业务请求所选择的工作路径和共享保护路径无法满足存在故障风险要求；

所述目标函数优化解存储模块，用于根据设定的最优化目标函数，已知不同业务请求数目，设置多目标优化函数调节参数α，运行多目标优化函数模块，在满足所述多目标优化函数约束条件管理模块包含的所有约束条件，获得多目标优化函数的最优解，记录并存储最优解。

网络状态监控模块，用于完成对频谱灵活光网络参数初始化、业务请求产生、设置频谱资源的最大共享度、工作路径与共享保护路径的联合故障概率计算、多目标优化函数、多目标优化函数的约束条件进行实时有效监控，以实现业务请求在频谱灵活光网络中最优化的频谱资源占用和联合故障概率。

目标函数优化解存储模块，用于根据设定的最优化目标函数，已知不同业务请求数目，运行频谱资源和联合故障概率最小的最优化目标函数，满足目标函数包含的所有约束条件，获得多目标优化函数的最优解，记录并存储最优解。也即用于根据设定的最优化目标函数，已知不同业务请求数目，运行多目标优化函数模块设置的最优化目标函数，在满足所述多目标优化函数约束条件管理模块包含的所有约束条件，获得多目标优化函数的最优解，记录并存储最优解。

最优化目标评估模块，用于根据目标函数获得的最优解，对所得结果进行评估分析，确保给定已知一组业务请求的频谱资源占用和共享保护的联合故障概率达到最小化，完成基于联合故障概率约的束共享保护路由与频谱分配。

在上述系统描述中，通过不同模块之间的相互协作，完成基于联合故障概率约束的共享保护最优化路由与频谱分配的目标，同时实现业务请求所选择的工作路径和共享保护路径的联合故障概率最小，除了上述模块，本发明系统还需要包括不同模块之间的判决和预警模块，执行各个模块之间的协调功能，以保证频谱灵活光网络初始化、业务请求生产、联合故障概率计算、多目标优化函数、优化函数约束条件管理、网络状态的监控、目标函数优化解存储模块、最优化目标评估等模块的执行。

对本发明考虑联合故障概率约束的共享保护路由和频谱分配方法、系统，具体实例进一步描述如下：

第一，图3表示频谱灵活光网络，每条光纤链路是双向，光纤链路上的数值表示每条链路的故障概率，设置每条光纤链路的频谱带宽为200ghz，若每个频谱隙为12.5ghz，光纤链路共有16个频谱隙。

第二，生成一组业务请求td1(1,2,2,0.00073)、td2(1,2,2,0.00073)、td3(1,2,2,0.00073)。

第三，设置可调节参数α＝0.5和频谱最大共享度执行以频谱灵活光网络的频谱资源占用数目和联合故障概率最小化为多目标优化函数(式(5))，满足多目标优化函数的业务请求的带宽流量守恒约束条件(式(6)和式(7))、频谱一致性约束条件(式(8)和式(9))、频谱连续性约束条件(式(10)至式(13))、工作路径与共享保护路径对选择唯一性约束条件(式(14))、频谱隙占用唯一性约束条件(式(15))、频谱共享约束条件(式(16)和式(17))、频谱隙最大共享度约束条件(式(18))、最大可容忍故障概率阈值约束条件(式(19))。

最后，获得基于联合故障概率约束的共享保护路由与频谱分配的目标函数优化：9.001035，即如图4所示，业务请求td1(1,2,2,0.00073)、td2(1,2,2,0.00073)、td3(1,2,2,0.00073)所选择的工作路径为：1-2，对应分的配频谱隙编号为0和1、2和3、4和5；在所选择的共享保护路径1-0-3-2上，业务请求td1(1,2,2,0.00073)和td2(1,2,2,0.00073)分配编号都为0和1的频谱隙，由于所设置的最大共享度为2，业务请求td3(1,2,2,0.00073)不能够共享td1(1,2,2,0.00073)和td2(1,2,2,0.00073)所占用编号为0和1的频谱隙，只能够分配编号为2和3的频谱隙。利用公式(4)，业务请求td1(1,2,2,0.00073)所选择的工作路径和共享保护路径的联合故障概率为0.00069，它小于这个业务请求的最大可容忍故障概率阈值0.00073，则这个业务请求所建立的工作路径(1-2)和共享保护路径1-0-3-2满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件。同样，利用公式(4)，业务请求td2(1,2,2,0.00073)、td3(1,2,2,0.00073)所选择的工作路径(1-2)和共享保护路径1-0-3-2也满足最大可容忍故障概率阈值(0.00073)的约束条件。

上述方法的实施例可以通过上述系统的实施例实现，上述系统的实施例可以采用上述方法的实时运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。