基于WSON损伤模型的最短路径的计算方法及其系统与流程

本发明涉及数据和ip传输设备的技术领域，具体是涉及一种基于wson损伤模型的最短路径的计算方法及其系统。

背景技术：

wson(wavelengthswitchedopticalnetwork)也就是基于波分复用传输网的ason，是目前ietf标准组织倡导的智能波分标准，除了传统ason(automaticallyswitchedopticalnetwork)的功能外，主要解决波分网络中光纤/波长自动发现、在线波长路由选择、基于损伤模型的路由选择等问题，其核心技术依然集中在路径计算所采用的算法。

wson是将控制平面引入到波长网络中，在路径计算时，需要考虑波长的动态变化，以及物理链路的osnr(opticalsignalnoiseratio)即光信噪比。通常，初始状态下，网络中每段链路可以使用的波长信号数量一样，由于硬件限制，计算得到的逻辑通道路径上各段链路必须使用统一波长的光信号，波长的动态变化，也正是因为网络拓扑中可以同时存在多条逻辑通道，经过不同路径、使用不用波长信号的通道占用了网络资源，使网络中各链路的可用波长信号发生差异。较为简单的方法是先使用常用的最短路径策略，对给定波长计算一条每段链路该波长都可用的最短路径，若算路失败，遍历每个波长，直到某个波长算路成功或遍历完所有波长。此方法实现简单，但受限于波长不可改变，造成了资源浪费。对此，可以将部分节点作为中继节点，路由经过中继节点时，允许改变后续链路传输信号的波长，同时，也允许路径经过该节点但不作为中继节点(即波长不可变)。

通常一条路径的osnr可以由每段链路的硬件参数计算，且随着链路的增加而降低，一条符合传输要求的路径，其总osnr必须大于给定阈值。中继节点的另一个功能就是对光信号重新放大，使整条路径的osnr只需要满足：源节点到下一个中继节点、相邻中继节点、宿节点到上一个中继节点之间的osnr都大于阈值。

所以，中继功能可以分为两个部分：允许变换波长、重置osnr。如图1所示，要建立节点1到节点3的通道，由于链路1-2只有λ1波可用，链路2-3只有λ2波可用，则必须使节点2作为中继节点，才能允许通道路径的子路段信号波长不一致。又如图2所示，假设路径上波长都可用，链路1-2、2-3的osnr都是20，而路径1-2-3的整体osnr为15，若给定阈值为18，则必须使节点2作为中继节点，使路径1-2-3的两个子路段osnr都大于阈值。

传统意义上的最短路径算法只需要满足节点最少、链路代价最小等路由策略，结合中继功能重新定义后的最短路径，若将路径中源节点到下一个中继节点、相邻中继节点之间、宿节点到上一个中继节点之间路径简称为子路段，其算法需求可以总结为：寻找一条指定源节点到宿节点的最短路径，要求路径中的每一条子路段选择一个都可用的统一波长，并且所有子路段osnr不超过给定阈值。最后，由于实现中继功能的硬件代价关系，当路径经过中继节点时，该节点也可以选择不使用中继功能，作为普通节点，于是，新的算法还必须满足一个最重要的限制条件：要求路径上作为中继的节点数最少，并且此条件要更优先于路由策略。如图3所示，节点1到节点3的最短路径在节点最少的路由策略下应该是1-2-3，且节点2作为中继，但中继最少的需求更加优先时，1-4-5-6-3才是最佳路径。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于wson损伤模型的最短路径的计算方法及其系统，能够计算指定源节点到指定宿节点的最短路径，具有准确率高、实用性强的优点。

本发明提供一种基于wson损伤模型的最短路径的计算方法，包括如下步骤：

a、根据给定的路由策略计算前k条最短路径，k为正整数；

b、计算步骤a中k条路径的最少中继数，每一条路径的最少中继数的计算步骤如下：

b1、以该路径上所有具备中继功能的节点为界，将该路径分割为若干子路段，构造矩阵matrix[m][n]，其中，n为路段数，m为波长数；

b2、将子路段的正向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值，作为子路段总光信噪比osnr计算指标，得到数组xsum[n]；将子路段的反向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值，作为子路段的反向osnr计算指标，得到数组rvs_xsum[n]；其中，xi为osnr的计算公式的指数部分，i为正整数，i的取值范围为1～n，n为路径单方向所经过的oa的总数，每一条子路段osnr都大于给定阈值t；

b3、根据动态规划算法思想，输入参数matrix[m][n]、xsum[n]、rvs_xsum[n]，构造三个迭代矩阵：矩阵trans[m][n]、矩阵sum[m][n]、矩阵rvs_sum[m][n]；矩阵trans[m][n]随着算法迭代过程记录当前最少中继数；矩阵sum[m][n]和矩阵rvs_sum[m][n]记录当前中继最少方案下到前一个中继或源节点的osnr计算指标叠加量；

b4、从矩阵trans[m][n]的最后一列选择最小的数值，即为整个路径最少中继数，按迭代规则回溯矩阵，得到路径的波长选择结果和中继选择结果；若矩阵trans[m][n]最后一列都是无效值，则该路径不通，动态规划失败；

c、比较步骤b中计算得到的k条路径的最少中继数，选择中继数最少的路径作为最短路径。

在上述技术方案的基础上，步骤b1中，所述矩阵matrix[m][n]的构造过程如下：以子路段按顺序映射为行，以路段对所有波长是否可用映射为列，且保证路径中的每一条子路段至少存在一个都可用的统一波长，矩阵matrix[m][n]的矩阵取值为0或1；

其中，0表示第n路段上第m波长不可用，1表示第n路段上第m波长可用。

在上述技术方案的基础上，步骤b2中，所述osnr的计算公式为：

其中，opi表示第i个oa的输入光功率，mi为第i个oa所在链路背景波道数，nfi为第i个oa的噪声系数；

所述xi的计算公式为：

所述xi叠加值满足其中，t＝10^-t/10。

在上述技术方案的基础上，步骤b3中，所述矩阵trans[m][n]的构造过程如下：设置矩阵trans[m][n]内的数值初始化均为无效值，对矩阵trans[m][n]进行逐列算法迭代，每列按照从上至下的顺序计算，共计算m*n次。

在上述技术方案的基础上，步骤c中，选择中继数最少的路径作为最短路径时，若出现多条路径的中继数相同，则选择路由策略最佳的路径，作为最短路径。

本发明还提供一种基于wson损伤模型的最短路径的计算系统，该系统包括前k条最短路径计算模块、最少中继数计算模块和最短路径选择模块；

所述前k条最短路径计算模块用于：根据给定的路由策略计算前k条最短路径，k为正整数；

所述最少中继数计算模块用于：计算k条路径的最少中继数，每一条路径的最少中继数的计算步骤如下：

以该路径上所有具备中继功能的节点为界，将该路径分割为若干子路段，构造矩阵matrix[m][n]，其中，n为路段数，m为波长数；

将子路段的正向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值作为子路段总光信噪比osnr计算指标，得到数组xsum[n]；将子路段的反向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值作为子路段的反向osnr计算指标，得到数组rvs_xsum[n]；其中，xi为osnr的计算公式的指数部分，i为正整数，i的取值范围为1～n，n为路径单方向所经过的oa的总数，每一条子路段osnr都大于给定阈值t；

根据动态规划算法思想，输入参数matrix[m][n]、xsum[n]、rvs_xsum[n]，构造三个迭代矩阵：矩阵trans[m][n]、矩阵sum[m][n]、矩阵rvs_sum[m][n]；矩阵trans[m][n]随着算法迭代过程记录当前最少中继数；矩阵sum[m][n]和矩阵rvs_sum[m][n]记录当前中继最少方案下到前一个中继或源节点的osnr计算指标叠加量；

从矩阵trans[m][n]的最后一列选择最小的数值，即为整个路径最少中继数，按迭代规则回溯矩阵，得到路径的波长选择结果和中继选择结果；若矩阵trans[m][n]最后一列都是无效值，则该路径不通，动态规划失败；

所述最短路径选择模块用于：比较最少中继数计算模块计算得到的k条路径的最少中继数，选择中继数最少的路径作为最短路径。

在上述技术方案的基础上，所述最少中继数计算模块具体用于：以子路段按顺序映射为行，以路段对所有波长是否可用映射为列，构造矩阵matrix[m][n]，且保证路径中的每一条子路段至少存在一个都可用的统一波长，将矩阵matrix[m][n]取值0或1；

其中，0表示第n路段上第m波长不可用，1表示第n路段上第m波长可用。

在上述技术方案的基础上，所述最少中继数计算模块具体用于：

计算osnr的公式为：

其中，opi表示第i个oa的输入光功率，mi为第i个oa所在链路背景波道数，nfi为第i个oa的噪声系数；

计算xi的计算公式为：

保证xi叠加值满足其中，t＝10^-t/10。

在上述技术方案的基础上，所述最少中继数计算模块还用于：设置矩阵trans[m][n]内的数值初始化均为无效值，对矩阵trans[m][n]进行逐列算法迭代，每列按照从上至下的顺序计算，共计算m*n次。

在上述技术方案的基础上，所述最短路径选择模块还用于：选择中继数最少的路径作为最短路径时，若出现多条路径的中继数相同，最短路径选择模块选择路由策略最佳的路径，作为最短路径。

与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明结合中继功能，提出一种针对wson网络波长动态变化，以及osnr损伤模型的最短路径算法，能够自动寻找一条指定源节点到指定宿节点的最短路径。本发明先根据给定的源节点、宿节点以及路由策略计算出前k条最短路径，使用动态规划(dynamicprogramming)算法思想迭代求出该条路径中哪个节点作为中继，以及其每条子路段选用哪个波长；最后，选择k条路径中使用中继最少的结果作为算法输出的最短路径。本发明的算法不仅简单，而且准确率高、实用性强。

附图说明

图1是现有的三节点的网络拓扑结构示意图，其中λ1、λ2为信号波长。

图2是现有的三节点的链路中osnr的网络拓扑结构示意图。

图3是现有的六节点的网络拓扑结构示意图。

图4是本发明实施例基于wson损伤模型的最短路径的计算方法的流程图。

图5是本发明实施例计算k条路径的最少中继数的流程图。

图6是本发明实施例的七节点的网络拓扑结构示意图。

图7是本发明实施例的两节点的光放大器oa的正向光纤和反向光纤的网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图4所示，本发明实施例提供一种基于wson损伤模型的最短路径的计算方法，包括如下步骤：

s1、根据给定的路由策略计算前k条最短路径，k为正整数；

s2、计算步骤s1中k条路径的最少中继数，参见图5所示，每一条路径的最少中继数的计算步骤如下：

s201、以该路径上所有具备中继功能的节点为界，将该路径分割为若干子路段，构造矩阵matrix[m][n]，其中，n为路段数，m为波长数；

s202、将子路段的正向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值作为子路段总光信噪比osnr计算指标，得到数组xsum[n]；将子路段的反向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值作为子路段的反向osnr计算指标，得到数组rvs_xsum[n]；其中，xi为osnr的计算公式的指数部分，i为正整数，i的取值范围为1～n，n为路径单方向所经过的oa的总数，每一条子路段osnr都大于给定阈值t；

s203、根据动态规划算法思想，输入参数matrix[m][n]、xsum[n]、rvs_xsum[n]，构造三个迭代矩阵：矩阵trans[m][n]、矩阵sum[m][n]、矩阵rvs_sum[m][n]；矩阵trans[m][n]随着算法迭代过程记录当前最少中继数；矩阵sum[m][n]和矩阵rvs_sum[m][n]记录当前中继最少方案下到前一个中继或源节点的osnr计算指标叠加量；

s204、从矩阵trans[m][n]的最后一列选择最小的数值，即为整个路径最少中继数，按迭代规则回溯矩阵，得到路径的波长选择结果和中继选择结果；若矩阵trans[m][n]最后一列都是无效值，则该路径不通，动态规划失败；

s3、比较步骤s2中计算得到的k条路径的最少中继数，选择中继数最少的路径作为最短路径。其中，步骤s1中，已有许多完善算法计算前k条最短路径，如ksp(topkshortestpaths)算法，k的大小可以根据实际情况调整，计算出最短路径，第二短的路径，第三短的路径，一直到第k短的路径，一共k条。先按路由策略选出前k短的k条路径，再在这k条路径中，根据波长分配和中继情况，选出一条最符合要求的路径。

其中，步骤s201中，矩阵matrix[m][n]的构造过程如下：以子路段按顺序映射为行，以路段对所有波长是否可用映射为列，且保证路径中的每一条子路段至少存在一个都可用的统一波长，矩阵matrix[m][n]的矩阵取值为0或1，其中，0表示第n路段上第m波长不可用，1表示第n路段上第m波长可用。参见图6所示，图6省略oa器件，只显示节点与链路，若其中一条路径为1-2-3-4-5-6-7，其中节点3和节点5具备中继功能，则将路径分割为1-2-3、3-4-5、5-6-7三个子路段，图中链路标注了可用波长，假如所有可用波为λ1-λ5，则分别取三段子路段的共公可用波集合，分别为λ1-λ4，λ3、λ4，λ4，以子路段按顺序映射为行，路段对所有波长是否可用映射为列(此时路段数n＝3，波长数m＝5)，构造矩阵matrix[m][n]，取值0或1，分别表示第n路段上第m波长是否可用，图6的场景可以构造如下矩阵；

步骤s202中，osnr的计算公式为：

其中，opi表示第i个oa的输入光功率，mi为第i个oa所在链路背景波道数，nfi为第i个oa的噪声系数；

xi的计算公式为：

子路段单向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值，满足

其中，t＝10^-t/10。

根据公式(1)、(2)可以得到：

t为给定阈值，每一条子路段osnr都应大于给定阈值t。

由于xi为osnr的计算公式的指数部分，无论op、nf、m如何取值，xi必定大于0；则无论路径怎样取，随着路径经过的oa数量n的增加而单调递增，且xi越小越好，根据公式(1)、(2)、(4)，令t＝10^-t/10，得出公式(3)。

由于每条路径可以根据中继节点分割为若干条子路段，则每一条子路段osnr都应大于给定阈值t可以转换为：若子路段经过n个oa，则子路段必须满足公式(3)。

参见图7所示，节点1与节点2之间的子路段收发光纤各经过2个oa，其参数xn根据公式(2)计算得到x1、x2、x3、x4，则该路段xsum＝x1+x2，rvs_xsum＝x3+x4。实际中，一般实际场景中路径正向传播osnr与反向传播的osnr会有差异。

其中，步骤s203中，设置矩阵trans[m][n]内的数值初始化均为无效值，对矩阵trans[m][n]进行逐列算法迭代，每列按照从上至下的顺序计算，共计算m*n次。在实际应用中，无效值可以根据情况指定，只要编码的时候能够判断出哪个是无效值即可。由于子路段数每增加1，中继数最多增加1，则使子路段数为n的路径中继数最少，则其子路段数为n-1的路径中继数必然也要最少，又因为当osnr超限或者下一段子路段同波长不可用时中继数必加1，每次迭代时若第j(0<＝j<n)路段上第i(0<＝i<m)波可用，则重新计算并将trans[i][j]替换为有效值，每次迭代结果如下(0<＝i<m，0<＝j<n)：

if(sum[i][j-1]+xsum[j]<t)&&(rvs_sum[i][j-1]+rvs_xsum[j]<t)&&

(matrix[i][j-1]＝＝1)&&(trans[i][j-1]<(min(trans[0][j-1]totrans[m-1][j-1])+1))

trans[i][j]＝trans[i][j-1]

sum[i][j]＝sum[i][j-1]+xsum[j]

rvssum[i][j]＝rvssum[i][j-1]+rvs_xsum[j]

else

trans[i][j]＝min(min(trans[0][j-1]totrans[m-1][j-1])+1,trans[i][j-1])

sum[i][j]＝xsum[j]

rvssum[i][j]＝rvs_xsum[j]

迭代完成后，trans矩阵保存了选用每个波长在当前子路段所需要的中继次数，即隐含了该条路径中继最少的波长、中继分配方案。若某一拓扑由步骤s201得到的matrix如下：

由步骤s202得到的xsum与rvs_xsum都为[1，1，1]，t＝2，则完成迭代后得到的trans矩阵为：

其中“-”表示初始化的无效值则算法的9次迭代过程如下：

trans[0][0]＝0表示若子路段1分配λ1，由于为起始路段，当前需要中继次数为0；

trans[1][0]＝-表示子路段1λ2不可用，保持初始无效值；

trans[2][0]＝0同trans[0][0]；

trans[0][1]＝-同trans[1][0]；

trans[1][1]＝1表示若子路段2分配λ2，必须进行波长转换，选择前一列最小的值加1，即trans[1][1]＝trans[0][0]+1；

trans[2][1]＝0表示若子路段2分配λ3，不需要波长转换，直接使trans[2][1]＝trans[2][0]；

trans[0][2]＝-同trans[1][0]；

trans[1][2]＝1表示若子路段3分配λ2，不需要波长转换，直接使trans[1][2]＝trans[1][1]；

trans[2][2]＝1表示若子路段3分配λ3，不需要进行波长转换，但由于xsum累加值为3>t，必须进行中继放大，选择前一列最小的值加1，即trans[2][2]＝trans[2][1]+1。

在最后一列最小值为1，可以选择给子路段3分配λ2，子路段2分配λ2，子路段1分配λ1，并且一旦发生状态转移(即矩阵元素值发生加1)，则将发生状态转移的两个子路段之间的节点作为中继节点，即子路段1与子路段2之间的节点作为中继；若子路段3选择λ3(需要的中继数一样，可以根据不同需求选择)，则子路段1与子路段2都可以分配λ3，但在子路段2与3之间发生状态转移，将子路段2与子路段3之间的节点作为中继。

在实际应用中，步骤s204中，一条路径的矩阵trans[m][n]中，若最后一列存在多个相同的最小中继数，可以根据每次算路给定的指定波长，最终选择与该指定波长较为接近的波长。

步骤s3中，选择中继数最少的路径作为最短路径时，若出现多条路径的中继数相同，则选择路由策略最佳的路径，作为最短路径。

此外，设网络拓扑中共v个节点、e条边，初始状态可用波长数量为n，一般计算单条最短路径的时间复杂度大约为o(e+vlgv)，空间复杂度为o(v)，对每条路径执行步骤s203算法时，最坏的时间复杂度为o(nnv)，空间复杂度为o(nv)，则整个算法时间复杂度为o(k(e+vlgv+nnv))，空间复杂度为o(k(v+nv))。所以，使用本方法计算路径总共时间、空间复杂度都在多项式级别内，对拓扑规模没有要求。

本发明还公开一种基于wson损伤模型的最短路径的计算系统，该系统包括前k条最短路径计算模块、最少中继数计算模块和最短路径选择模块；

前k条最短路径计算模块用于：根据给定的路由策略计算前k条最短路径，k为正整数；

最少中继数计算模块用于：计算k条路径的最少中继数，每一条路径的最少中继数的计算步骤如下：

以该路径上所有具备中继功能的节点为界，将该路径分割为若干子路段，构造矩阵matrix[m][n]，其中，n为路段数，m为波长数；

将子路段的正向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值作为子路段总光信噪比osnr计算指标，得到数组xsum[n]；将子路段的反向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值作为子路段的反向osnr计算指标，得到数组rvs_xsum[n]；其中，xi为osnr的计算公式的指数部分，i为正整数，i的取值范围为1～n，n为路径单方向所经过的oa的总数，每一条子路段osnr都大于给定阈值t；

根据动态规划算法思想，输入参数matrix[m][n]、xsum[n]、rvs_xsum[n]，构造三个迭代矩阵：矩阵trans[m][n]、矩阵sum[m][n]、矩阵rvs_sum[m][n]；矩阵trans[m][n]随着算法迭代过程记录当前最少中继数；矩阵sum[m][n]和矩阵rvs_sum[m][n]记录当前中继最少方案下到前一个中继或源节点的osnr计算指标叠加量；

从矩阵trans[m][n]的最后一列选择最小的数值，即为整个路径最少中继数，按迭代规则回溯矩阵，得到路径的波长选择结果和中继选择结果；若矩阵trans[m][n]最后一列都是无效值，则该路径不通，动态规划失败；

最短路径选择模块用于：比较最少中继数计算模块计算得到的k条路径的最少中继数，选择中继数最少的路径作为最短路径。

其中，最少中继数计算模块具体用于：以子路段按顺序映射为行，以路段对所有波长是否可用映射为列，构造矩阵matrix[m][n]，且保证路径中的每一条子路段至少存在一个都可用的统一波长，将矩阵matrix[m][n]取值0或1；

其中，0表示第n路段上第m波长不可用，1表示第n路段上第m波长可用。

其中，最少中继数计算模块具体用于：

计算osnr的公式为：

其中，opi表示第i个oa的输入光功率，mi为第i个oa所在链路背景波道数，nfi为第i个oa的噪声系数；

计算xi的计算公式为：

保证子路段单向光纤经过的所有光放大器oa的xi叠加值满足其中，t＝10^-t/10。

其中，最少中继数计算模块还用于：设置矩阵trans[m][n]内的数值初始化均为无效值，对矩阵trans[m][n]进行逐列算法迭代，每列按照从上至下的顺序计算，共计算m*n次。

其中，最短路径选择模块还用于：选择中继数最少的路径作为最短路径时，若出现多条路径的中继数相同，最短路径选择模块选择路由策略最佳的路径，作为最短路径。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。