一种电力光网络路由频谱分配方法及系统与流程

本发明涉及电力通信弹性光纤网领域，具体涉及一种电力光网络路由频谱分配方法及系统。

背景技术：

随着电力行业的不断发展和智能电网的提出，电力通信业务的带宽需求不断增长、业务种类多样化，对承载的光通信网络提出了更高的要求。在传统的波分复用光网络中，固定的波长栅格特点决定其最小交换粒度为波长，即便业务请求的带宽仅占波长通道的部分容量，也必须分配一个完整的波长通道。而且，电力通信光传输网的电力业务信息传输粒度小、突发性强，固定的粗波长栅格会导致严重的频谱浪费。弹性光网络利用光正交频分复用技术，容许光通道频谱部分重叠，并且具有更小的频谱粒度，将传统波分复用光网络的波长通道转化为更小粒度的频率隙，被认为是具有极大潜力的下一代光网络主要技术之一。弹性光网络中，可以根据业务速率给每个不同需求的业务分配所需的频率隙，实现差异化速率业务的灵活分配，并降低网络总业务阻塞率，提高频谱资源的利用率。

此外，电力骨干网在地理范围上跨度较大，并且业务分布不均匀且具有不同的安全等级需求，导致承载业务的传输路径长度和传输容量大小变动范围较大。根据已有的研究表明，弹性光网络可以根据业务请求的数据速率以及传输距离来灵活地分配频谱。单个频隙12.5GHz使用不同调制格式BPSK、QPSK、8QAM、16QAM可以支持的最大传输速率分别为12.5Gb/s，25Gb/s，37.5Gb/s，50Gb/s，并且各调制格式可支持的最大传输距离为9600km,4800km,2400km和1200km。为适应未来多种多样的电力通信业务，电力通信弹性光网络必须具备强大的资源优化配置能力。如何在电力通信网中进行高效的资源优化配置，解决路由调制格式和频谱分配(Routing and Modulation，Spectrum Assignment，MRSA)问题成为了目前亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对电力骨干网的地理范围跨度较大和业务分布不均匀的现状，本发明的目的是提供一种电力光网络路由频谱分配方法及系统，本发明在距离自适应的调制格式下进行路由频谱联合分配得到最优解。该路由调制格式频谱分配方法能够在间接保证传输质量的前提下有效地减少网络中需要的频谱使用总数，提高频谱利用率。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种电力光网络路由频谱分配方法，其改进之处在于：

当在电力光网络中有电力业务连接分配请求时，获取电力光网络中各条链路上的可用频谱索引；

根据各条链路上的可用频谱索引，在不同调制格式下设置不同的频谱窗位置确定满足相应距离要求的业务请求的候选解集；

从所述候选解集中选取符合预先设定规则的调制格式和路由频谱分配。

进一步地：所述电力业务连接分配请求包括在所述电力光网络中进行业务连接的源节点、目的节点、业务种类和请求速率信息。

进一步地：在所述获取电力光网络中各条链路上的可用频谱索引之前，还包括：

根据业务优先级和请求速率对业务请求进行排序。

进一步地：所述根据业务优先级和请求速率对业务请求进行排序，包括：

实时敏感的业务具有高优先级，非实时时延次敏感的业务具有低优先级；

在同一优先级中的业务中，请求速率越大，排序越靠前。

进一步地：所述根据各条链路上的可用频谱索引，在不同调制格式下设置不同的频谱窗位置确定满足相应距离要求的业务请求的候选解集，包括：

根据所述业务请求的速率大小，从高阶至低阶依次选取不同调制格式，计算业务在所述不同调制格式下所需的传输频隙数；

根据各条链路上的频谱的可用频谱索引和业务传输频隙数计算频谱窗集合S；

依次选择频谱窗集合S中的频谱窗s，s∈S；

建立虚拟网络拓扑，并在虚拟网络拓扑中利用k最短路径算法计算所述业务请求中从源节点和目的节点之间的前k条最短路径，将路径长度小于当前阶次调制格式的传输距离限制的路径及其调制格式、频谱窗s存储至业务请求的候选解集，直至所述频谱窗集合S中的频谱窗均处理完为止。

进一步地：所述频谱窗集合S的构建方法包括：

对所需的传输频隙数为n的业务请求，S＝{[1,n],[2,n+1],…,[B-n+1,B]}；其中，B是光纤链路上的频谱资源总数；

进一步地：所述候选解集包括：调制距离限制的路径、所述调制距离限制路径对应的调制格式和频谱窗s组成的集合。

进一步地：所述传输频隙数计算式为：传输频隙数n＝传输速率/调制格式m下单频隙的传输速率。

进一步地：从所述候选解集中选取符合预先设定规则的调制格式，包括：

当所述业务的候选解集为空，设置下一个低阶调制格式，重新计算业务在设定调制格式下所需的传输频隙数，若低阶调制格式已空，则转向业务的候选解集不为空步骤。

进一步地：从所述候选解集中选取符合预先设定规则的路由频谱分配，包括：

若业务的候选解集不为空，则计算候选解集每条路径使用的链路频谱总数，选取数量最少的一条路径，并返回该路径其相应的频谱窗，结束业务请求的最佳路由寻找；在路径的每段光纤链路上为该频谱窗位置保留通信频谱资源。

进一步地：所述链路频谱总数＝光纤链路数*所需的传输频隙数。

本发明提供一种电力光网络路由频谱分配系统，其改进之处在于：

获取模块，用于当在电力光网络中有电力业务连接分配请求时，获取电力光网络中各条链路上的可用频谱索引；

确定模块，用于根据各条链路上的可用频谱索引，在不同调制格式下设置不同的频谱窗位置确定满足相应距离要求的业务请求的候选解集；

分配模块，用于从所述候选解集中选取符合预先设定规则的调制格式和路由频谱分配。

进一步地：所述电力业务连接分配请求包括在所述电力光网络中进行业务连接的源节点、目的节点、业务种类和请求速率信息。

进一步地：还包括排序模块，用于在所述获取电力光网络中各条链路上的可用频谱索引之前，根据业务优先级和请求速率对业务请求进行排序。

进一步地：所述排序模块，包括：

优先级排序单元，用于实时敏感的业务具有高优先级，非实时时延次敏感的业务具有低优先级；

请求速率排序单元，用于在同一优先级中的业务中，请求速率越大，排序越靠前。

进一步地：所述确定模块，包括：

第一计算单元，用于根据所述业务请求的速率大小，从高阶至低阶依次选取不同调制格式，计算业务在所述不同调制格式下所需的传输频隙数；

第二计算单元，用于根据各条链路频谱的可用频谱索引和业务传输频隙数计算频谱窗集合S；

选择单元，用于依次选择频谱窗集合S中的频谱窗s，s∈S；

建立单元，用于建立虚拟网络拓扑，并在虚拟网络拓扑中利用k最短路径算法计算从源节点和目的节点之间的前k条最短路径，将路径长度小于当前阶次调制格式的传输距离限制的路径及其调制格式、频谱窗s存储至业务请求的候选解集，直至所述频谱窗集合S中的频谱窗均处理完为止。

进一步地：所述传输频隙数表示为：传输频隙数n＝传输速率/调制格式m下单频隙的传输速率。

进一步地：所述分配模块，包括：

调制格式设定单元，用于当所述业务的候选解集为空，设置下一个低阶调制格式，重新计算业务在设定调制格式下所需的传输频隙数，若低阶调制格式已空，则转向业务的候选解集不为空步骤；

路由分配单元，用于当业务的候选解集不为空，则计算候选解集每条路径使用的链路频谱总数，选取并返回数量最少的一条路径，及其相应的调制格式和频谱窗，结束业务请求的最佳路由寻找。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案达到的有益效果是：

1、本发明包括当在电力光网络中有电力业务连接分配请求时，获取电力光网络中各条链路上的可用频谱索引；根据各条链路上的可用频谱索引，在不同调制格式下设置不同的频谱窗位置确定满足相应距离要求的业务请求的候选解集；从所述候选解集中选取符合预先设定规则的调制格式和路由频谱分配，能够在间接保证传输质量的前提下有效地减少网络中需要的频谱使用总数，提高频谱利用率。

2、基于多调制格式频谱窗的电力光网络路由频谱分配方法，先对不同等级的电力业务进行排序处理，然后进行距离自适应的调制格式和路由频谱联合分配得到最优解。具有以下优点：本发明对不同优先级和不同速率大小的业务首先进行排序处理，可以避免对高优先级业务的拒绝。本发明采用距离自适应的调制格式，充分考虑发到对电力业务受地理位置的影响，并间接地保证了业务的传输质量。本发明利用设置频谱窗的大小和位置，搜寻当前网络中的有效链路资源，计算频谱资源使用最小的路径集合和相应频谱窗作为候选解集。

附图说明

图1是本发明提供的电力光网络路由频谱分配方法得流程图；

图2是本发明提供的具体实施例的六节点网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

实施例一、

本发明采用以下技术方案：基于多调制格式频谱窗的电力光网络路由频谱分配方法，方法步骤如下：

1)电力业务连接分配请求。所述电力业务连接分配请求包括在所述的电力通信弹性光网络中进行业务连接的源节点、目的节点、业务种类和请求速率的信息；

2)根据业务优先级和请求速率大小对所有的业务请求进行排序处理；

3)根据所述网络拓扑结构获取各条链路的频谱使用状态。获取所述网络拓扑中所有链路上所有频谱的使用情况和总可用频谱数；

4)根据所述网络拓扑的邻接矩阵、各条链路上的频谱使用状态，在不同调制格式下设置不同的频谱窗位置来搜寻满足相应距离要求的业务请求候选解集；

5)从得到的所有候选解集中选取所用频谱总数最少的为电力业务进行调制格式和路由频谱分配；

6)根据该结果为电力业务进行调制格式和路由频谱分配，并更新网络中所有链路的频谱使用情况，返回步骤3)，为下个业务进行路由调制格式和频谱分配，直到所有的业务请求都处理结束。

基于上述施例，所述步骤2)中，对业务请求排序处理的方法如下：

根据业务请求的优先级进行排序，优先级越高的排在队列的前面；同一优先级中的业务根据请求速率大小进行排序，请求速率越大的排在队列的前面。更新业务请求的队列。

基于上述施例，所述步骤4)、步骤5)中，计算和选取路由和调制格式、频谱分配的方法如下：

(1)依次处理业务队列中的业务请求；

(2)根据所述业务请求的速率大小，从高阶至低阶依次选取16QAM，8QAM，QPSK，BPSK等调制格式，计算传输业务在该调制格式下所需的频隙数；

(3)根据所述步骤3)中获得的各条链路频谱使用状态和业务传输频隙数，计算频谱窗集合S；

(4)依次选择频谱窗集合S中的频谱窗s∈S；

(5)建立虚拟网络拓扑，将所述网络拓扑中的网络结构和当前各个链路的频谱使用情况复制到虚拟网络拓扑。若虚拟网络拓扑中频谱窗s所在的频谱不能用，则删去该链路，并更新虚拟网络拓扑。

(6)在虚拟网络拓扑中利用k最短路径算法计算从源节点和目的节点之间的前k条最短路径，将符合该调制距离限制的路径及其对应的调制格式和频谱窗s存储至该业务请求的候选解集。

(7)如果频谱窗尚未处理完，则返回步骤(4)，处理下一个频谱窗。否则，进入(8)。

(8)如果所述业务的候选解集为空，设置下一个低阶调制格式，返回(2)，此时的低阶调制格式若已空，进入(9)。

(9)如果所述业务的候选解集不为空，则从调制格式、路由路径和频谱窗的候选解集中，计算候选解集中各路径使用的频谱总数，选取并返回数量最少的一条路径，并返回该路径其相应的频谱窗，结束该请求的最佳路由寻找。如果所述业务的候选解集为空，返回无效值，结束该请求的最佳路由寻找。在路径的每段光纤链路上为该频谱窗位置保留通信频谱资源。

基于上述施例，所述步骤(2)中，根据业务速率和调制格式计算所需的频隙数方法如下：对某一个请求rs，d，n，L，其中，s，d，n和L依次表示源节点，目的节点，请求速率和优先级程度。对于16QAM，8QAM，QPSK，BPSK，其所需的频隙数n＝传输速率/调制格式m下单频隙的传输速率。

基于上述施例，所述步骤(3)中，频谱窗集合S的计算方法如下：所述频谱窗(Spectrum Window，SW)表示一段连续的频谱。对某一个所需频隙数为m的业务请求，光纤资源中存在符合要求的长度为m的频谱窗最多有B-m+1个，其中，B是光纤链路上的频谱资源总数。

实施例二、

本发明提供一种具体实施例，六点网络结构图如图2所示，通过本发明提供基于多调制格式频谱窗的电力光网络路由频谱分配方法，具体实现步骤如下：

(1)到达的电力业务请求为R1(1，2，100，L1)，R2(1，4，100，L2)和R3(1，6，50，L2)；

(2)对电力业务请求进行排序处理。按照L1，L2，L3的业务主顺序和速率大小的次顺序，三个电力业务请求队列中从头至尾的顺序为：R1(1，2，100，L1)，R2(1，4，100，L2)，R3(1，6，50，L2)；

(3)根据所述网络拓扑结构获取各条链路的频谱使用状态。当前网络G中总的频隙数大小为10，且每条光纤初始化时尚未被占用，可用频隙指数的区间为[1，10]；

(4)根据所述网络拓扑的邻接矩阵、各条链路上的频谱使用状态，通过设置频谱窗来搜寻满足业务请求源节点和目的节点之间的K条最短路径，获得路由频谱分配解集。

处理请求R1的连接。选取最高阶调制格式16QAM，此时传输需要的频隙数量为n＝100/50＝2个。频谱窗集合S为{[1，2]，[2，3]，[3，4]，…，[9，10]}。

对于频谱窗sw＝[1，2]而言，建立虚拟网络拓扑G’＝G，删去网络G’中不能容忍sw的边。在更新后，G’的拓扑连接状态保持不变。计算得到G’中的前3条最短路径为，1-3-2(600km)，1-2(800km)，1-3-5-4-2(4300km)。去除掉不符合16QAM调制格式的最远传输距离的1-3-5-4-2(4300km)，存储另外两条路径到候选路径集合中。

同理，计算得出频谱窗为[1，2]，[2，3]，[3，4]，……[9，10]的前三条最短路径，并存储在候选路径集合中。

同理，在调制格式分别为8QAM，QPSK和BPSK的情形下，遍历频谱窗。

(5)从所有调制格式和频谱窗的候选解集中选取所用频谱总数最少的为电力业务进行调制格式和路由频谱分配。如表1所示：

表1请求R1的候选路径集合中的部分元素

在候选路径集合中，选出占用频隙数目最少的一条，路径1-2(800km，sw＝[1，2]，m＝4)，结束路由选取。

(6)根据该结果为电力业务进行调制格式和路由频谱分配，并更新网络中所有链路的频谱使用情况。将路由频谱路径1-2(sw＝[1，2])分配到当前网络G中，分配完后链路的频隙资源如表2：

表2分配完请求R1后的链路资源状况

处理接下来的业务请求R2(1，4，100，L2)。

返回第(4)步，选择调制格式16QAM(m＝4)，占用频隙为频谱窗sw为[1，2]。其中，最短路径集合的三条路径1-3-2-4(2300km)，1-3-5-4(2600km)，1-3-5-6-4(2900km)不符合传输距离<1200km的条件，候选路由路径集合无元素。继续选择调制格式16QAM(m＝4)，计算在频谱窗sw＝[2，3]，[3，4]，……[9，10]下的k最短路径时，元素集合都为空。

返回第(4)步，选择调制格式8QAM(m＝3)，占用频隙为当频谱窗sw＝[1,3]，新增的候选路径集合的元素是1-3-2-4(2300km)，而非1-3-5-4(2600km)和1-3-5-6-4(2900km)。当频谱窗为sw＝[2，4]时，新增的候选路径集合中元素是1-3-2-4(2300km)，而非1-3-5-4(2600km)和1-3-5-6-4(2900km)。当频谱窗为sw＝[3，5]，新增的候选路径集合中元素是1-3-2-4(2300km)，而非1-2-4(2500km)，1-3-5-4(2600km)。最终，8QAM下的候选路径集合增添的路径为1-3-2-4(2300km，sw＝[1，3])。

继续选择调制格式QPSK，BPSK后，请求(2)候选路径集合中的元素如表3为：

表3请求R2的候选路径集合中的部分元素

选取其中占用频隙数目最少的路径，1-2-4(2500km，sw＝[3，6]，m＝2)。完成路由频谱分配后，网络中的链路资源情况如下表4所示：

表4分配完请求R2后的链路资源状况

处理第(3)个业务请求R3(1，6，50，L2)时，其占用频隙数分别为1，2，2，4。候选路由频谱集合如下表5所示：

表5请求R3的候选路径集合中的部分元素

选取其中占用频隙数目最少的路径，1-3-5-6(2500km，sw＝[1，2]，m＝2)。完成路由频谱分配后，网络中的链路资源情况如下表6所示：

表6分配完请求R3后的链路资源状况

实施项的每一步中，采取了启发式算法的思路，在遍历选择不同阶次的调制格式后，选取符合传输限制和占用频隙资源数目最少的路径，发挥出启发式算法速度快及求解近似最优的优点。

实施例三、

基于同样的发明构思，本发明还提供一种电力光网络路由频谱分配系统，包括：

获取模块，用于当在电力光网络中有电力业务连接分配请求时，获取电力光网络中各条链路上的可用频谱索引；

确定模块，用于根据各条链路上的可用频谱索引，在不同调制格式下设置不同的频谱窗位置确定满足相应距离要求的业务请求的候选解集；

分配模块，用于从所述候选解集中选取符合预先设定规则的调制格式和路由频谱分配。

进一步地：所述电力业务连接分配请求包括在所述电力光网络中进行业务连接的源节点、目的节点、业务种类和请求速率信息。

进一步地：还包括排序模块，用于在所述获取电力光网络中各条链路上的可用频谱索引之前，根据业务优先级和请求速率对业务请求进行排序。

进一步地：所述排序模块，包括：

优先级排序单元，用于实时敏感的业务具有高优先级，非实时时延次敏感的业务具有低优先级；

请求速率排序单元，用于在同一优先级中的业务中，请求速率越大，排序越靠前。

进一步地：所述确定模块，包括：

第一计算单元，用于根据所述业务请求的速率大小，从高阶至低阶依次选取不同调制格式，计算业务在所述不同调制格式下所需的传输频隙数；

第二计算单元，用于根据各条链路频谱的可用频谱索引和业务传输频隙数计算频谱窗集合S；

选择单元，用于依次选择频谱窗集合S中的频谱窗s，s∈S；

建立单元，用于建立虚拟网络拓扑，并在虚拟网络拓扑中利用k最短路径算法计算从源节点和目的节点之间的前k条最短路径，将路径长度小于当前阶次调制格式的传输距离限制的路径及其调制格式、频谱窗s存储至业务请求的候选解集，直至所述频谱窗集合S中的频谱窗均处理完为止。

进一步地：所述传输频隙数表示为：传输频隙数n＝传输速率/调制格式m下单频隙的传输速率。

进一步地：所述分配模块，包括：

调制格式设定单元，用于当所述业务的候选解集为空，设置下一个低阶调制格式，重新计算业务在设定调制格式下所需的传输频隙数，若低阶调制格式已空，则转向业务的候选解集不为空步骤；

路由分配单元，用于当业务的候选解集不为空，则计算候选解集每条路径使用的链路频谱总数，选取并返回数量最少的一条路径，及其相应的调制格式和频谱窗，结束业务请求的最佳路由寻找。

本发明针对电力骨干网的地理范围跨度较大和业务分布不均匀的现状，本发明先对不同等级的电力业务进行排序处理，然后在距离自适应的调制格式下进行路由频谱联合分配得到最优解。该路由调制格式频谱分配方法能够在间接保证传输质量的前提下有效地减少网络中需要的频谱使用总数，提高频谱利用率。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。