多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法及网络与流程

本发明涉及光通信领域，特别涉及多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法及网络。

背景技术：

近年来，基于标准单模单芯光纤的现代光纤通信技术的发展已经逐渐接近其传输容量限制，为了进一步提高容量，科研人员正在探索空分网络(sdm)进行传输，如基于多芯光纤(mcf)的系统。目前关于基于mcf的光网络的大多数研究假设在每个链路上铺设一对mcf，分别以相反方向来传输光信号，而在每一条mcf中，所有光芯中的信号是以相同的方向来传输的，如图1所示。这种对称网络设计虽然增加了网络传输的容量，但是由于传输时光芯之间发生串扰，因此减弱了光芯之间的信号，从而使得传输受到限制。

同时，现如今诸如视频点播和虚拟/增强现实(vr/ar)等新应用在网络中的运用，往往使得在端到点和点到端相反的方向上具有高度不对称的双向流量，这是网络中高度不对称的业务需求形成的重要原因之一。然而，在当前的网络设计中，几乎所有的网络都是针对对称流量设计的，即在两个方向上提供相同的容量，显而易见，这对于非对称流量来说，会大大浪费资源，使得网络资源的利用率十分低下。

综上所述，在传输不对称业务时，多芯光纤网络中仍有光芯之间存在串扰，多芯光纤网络资源的利用率低的问题。因此，如何优化多芯光纤网络业务传输的网络规划，解决上述技术问题是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法及网络，优化多芯光纤网络业务传输的网络规划，实现在传输不对称业务时，减少多芯光纤网络中光芯之间的串扰并提高多芯光纤网络资源的利用率。其具体方案如下：

一种多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法，包括：

获取多芯光纤网络需要传输的流量不对称的业务，得到目标业务；

根据所述目标业务，分别建立相应的路由，对路由经过的每条链路，交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，以优化基于多芯光纤的网络规划。

可选的，所述根据所述目标业务，分别建立相应的路由，对路由经过的每条链路，交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，以优化基于多芯光纤的网络规划的过程包括：

根据所述目标业务，确定传输所述目标业务的目标频谱窗，并根据所述目标频谱窗建立相应的目标光通道；

根据所述目标光通道，分别建立相应的路由，对路由经过的每条链路，交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，以优化基于多芯光纤的网络规划。

可选的，所述根据所述目标业务，确定传输所述目标业务目标频谱窗，并根据所述目标频谱窗建立相应的目标光通道的过程包括：

根据所述目标业务，利用最短路由算法确定传输所述目标任务的路由，并根据所述目标业务相应的业务需求，建立n个频谱窗，并判断对于每个频谱窗是否有可用的多芯光纤；其中，n为大于1的整数；

当对于频谱窗有可用的多芯光纤，则所述可用的多芯光纤根据传输所述目标任务的路由建立光通道；

分别对有可用的多芯光纤相应的频谱窗建立辅助图，利用建立的辅助图计算基于当前频谱窗的光芯使用及相对应的成本；

扫描所有频谱窗相对应的成本，将成本最小的频谱窗确定为目标频谱窗，并将所述目标频谱窗对应的光通道确定为目标光通道。

可选的，所述判断对于每一个频谱窗是否有可用的多芯光纤的过程还包括：

当对于所有频谱窗均没有可用的多芯光纤，则增加多芯光纤，得到对于频谱窗可用的多芯光纤。

可选的，所述分别对有可用的多芯光纤相应的频谱窗建立辅助图，利用建立的辅助图计算基于当前频谱窗的光芯使用及相对应的成本的过程包括：

分别对有可用的多芯光纤相应的频谱窗建立辅助图，利用建立的辅助图，增加虚拟节点建立辅助链路，并计算所述辅助链路传输所述目标业务的成本，得到基于当前频谱窗的光芯使用及相对应的成本。

可选的，所述分别对有可用的多芯光纤相应的频谱窗建立辅助图，利用建立的辅助图，增加虚拟节点建立辅助链路，并计算所述辅助链路传输所述目标业务的成本，得到基于当前频谱窗的光芯使用及相对应的成本的过程中，计算所述辅助链路传输所述目标业务的成本的公式为：

其中，f是频谱窗中频隙的总数，cfi是通过当前链路建立光通道，则在当前多芯光纤中对第i频隙增加的光芯间串扰因子。

相应的，本发明还提供了一种多芯光纤网络，应用上述的多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法。

本发明提供的多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法，首先通过获取多芯光纤网络需要传输的流量不对称的业务，得到目标业务；接着，根据目标业务，分别建立相应的路由，对路由经过的每条链路，交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，以优化基于多芯光纤的网络规划。可见，本发明提供的多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法，通过利用交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，既抑制了多芯光纤网络中的同向光芯之间的串扰问题，又提高了多芯光纤网络资源的利用率，从而优化多芯光纤网络业务传输的网络规划。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中多芯光纤网络的同向传输业务示意图；

图2为本发明实施例提供的一种芯光纤网络中业务传输的网络规划方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的另外一种芯光纤网络中业务传输的网络规划方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的多芯光纤网络的反向传输业务示意图；

图5为本发明实施例具体实施方式中的多芯光纤网络的业务传输示意图；

图6为本发明实施例具体实施方式中的多芯光纤网络的辅助图的构建及业务传输的成本计算示意图；

图7为本发明实施例具体实施方式中的首次命中策略和成本最小策略的多芯光纤数目及光芯间串扰；

图8为本发明实施例具体实施方式中的首次命中策略和成本最小策略的不对称率的影响。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法，参见图2所示，包括以下步骤：

步骤s11：获取多芯光纤网络需要传输的流量不对称的业务，得到目标业务。

需要进行说明的是，本发明实施例中的业务为流量不对称的业务，包括但不限于视频点播、虚拟/增强现实、网络直播等新应用。具体地，网络直播为网络主播向观众所在的终端连续发送视频等数据信息，观众所在的终端向网络主播非连续地反馈图片、文字等数据信息。由于连续发送的视频等数据信息的业务量远远大于非连续地反馈的图片、文字等数据信息的业务量，因此，传输网络直播的业务为流量不对称的业务。

步骤s12：根据目标业务，分别建立相应的路由，对路由经过的每条链路，交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，以优化基于多芯光纤的网络规划。

需要进行说明的是，可以将目标任务划分为多个子业务进行传输。根据目标业务中相反方向的业务量计算同向和反向传输目标业务所需的光芯数目，分别建立相应的路由，并交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙。利用交错反向地分配光芯的原因是，在mcf中，反向地分配光芯使相邻光芯信号以反向方式传输，可以显著抑制光芯之间的串扰。

综上，本发明实施例提供的多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法，首先通过获取多芯光纤网络需要传输的流量不对称的业务，得到目标业务；接着，根据目标业务，分别建立相应的路由，对路由经过的每条链路，交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，以优化基于多芯光纤的网络规划。可见，本发明实施例提供的多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法，通过利用交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，既抑制了多芯光纤网络中的同向光芯之间的串扰问题，又提高了多芯光纤网络资源的利用率，从而优化多芯光纤网络业务传输的网络规划。

本发明实施例还提供了另外一种多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤s21：获取多芯光纤网络需要传输的流量不对称的业务，得到目标业务。

步骤s22：根据目标业务，确定传输目标业务的目标频谱窗，并根据目标频谱窗建立相应的目标光通道。

需要进行说明的是，本发明实施例中步骤s22使用的算法可以是启发式算法，由于启发式算法是本发明首次提出的，凡是应用启发式算法的思路，而使用其他名字的算法均在本发明的保护范围之内。此外，频谱窗的确定可以利用的是频谱窗算法。

本发明实施例中，步骤s22可以包括以下子步骤：

根据目标业务，利用最短路由算法确定传输目标任务的路由，并根据目标业务相应的业务需求，建立n个频谱窗，并判断对于每个频谱窗是否有可用的多芯光纤；其中，n为大于1的整数；

当对于频谱窗有可用的多芯光纤，则可用的多芯光纤根据传输目标任务的路由建立光通道；

分别对有可用的多芯光纤相应的频谱窗建立辅助图，利用建立的辅助图计算基于当前频谱窗的光芯使用及相对应的成本；

扫描所有频谱窗相对应的成本，将成本最小的频谱窗确定为目标频谱窗，并将目标频谱窗对应的光通道确定为目标光通道。

需要进一步说明的是，判断对于每一个频谱窗是否有可用的多芯光纤的过程还包括：当对于所有频谱窗均没有可用的多芯光纤，则增加多芯光纤，得到对于频谱窗可用的多芯光纤。

上述子步骤中分别对有可用的多芯光纤相应的频谱窗建立辅助图，利用建立的辅助图计算基于当前频谱窗的光芯使用及相对应的成本的过程包括：

分别对有可用的多芯光纤相应的频谱窗建立辅助图，利用建立的辅助图，增加虚拟节点建立辅助链路，并计算辅助链路传输目标业务的成本，得到基于当前频谱窗的光芯使用及相对应的成本。

其中，计算辅助链路传输目标业务的成本的公式为：

其中，f是频谱窗中频隙的总数，cfi是通过当前链路建立光通道，则在当前多芯光纤中对第i频隙增加的光芯间串扰因子。

步骤s23：根据目标光通道，分别建立相应的路由，对路由经过的每条链路，交错反向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，以优化基于多芯光纤的网络规划。

本发明实施例还提供了一种多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法的具体实施方式，参见图4至图8所示。

在对上述具体实施方式进行说明之前，首先通过计算串扰因子的方式说明利用反向交错分配多芯光纤减少光芯间的串扰。

如图1所示为一个7芯mcf的同向布局，图4为一个7芯mcf的反向布局，图1和图4分别描述了两种光信号的传输模式。在针对双向对称业务需求设计的mcf光网络中，如图1所示，所有光芯中的光信号均以相同的方向传输，这会造成极大的光芯间串扰，也限制了mcf的传输容量。为了抑制多芯光芯间的串扰，如图4所示，mcf中的不同光芯以相反方向传输光信号。

通过适当地排列光芯传输的方向，可以实现图4中的反向传输模式的最佳结果。将同向传输中光芯之间的串扰因子cf定义为mcf中与当前光芯直接相邻的，同方向传输的，并占有相同频率的光通道的其他光芯的数量。这里直接相邻即为中间没有其他的光芯。在本发明实施例的具体实施方式中，忽略不直接相邻的同方向传输光芯之间的串扰，因为它将远小于直接相邻的共同传输光芯之间的串扰。在图1中，光芯1和2就是直接相邻光芯。比较图1和图4中的两种模式下的光芯间串扰，通过计算得到mcf图1的光芯间串扰因子总数为cfco＝24，mcf图4中cfcounter＝6。由此可见，反向传输可以显着地抑制mcf的光芯间串扰。

在mcf光网络中，对于不对称的网络流量，图5示出了对称流量设计时光芯和频隙的布局和反向传输时光芯和频隙分配的示例。在图5(a)中，由于mcf中的光芯不允许进行反向传输，对于不同方向的信号传输，需要在节点b和c之间的相反方向上部署一对mcf。相比之下，在mcf中使用光芯反向传输，在节点b和c之间只需要一根mcf，使用一对反向传输的光芯来传输送相反方向的业务。此外，在对称流量设计中，在两个方向上预留的频谱资源将是相同的，并选取两个方向上值较大的一个。因此，在图5(a)中，在反方向的一对mcf中预留8个频隙。而基于反向传输的光芯则可以灵活分配频谱资源以匹配实际需求。对于双向不对称的业务，从c到b的方向分配8个频隙，但在相反方向只需要4个频隙。与图5(a)的示例不同，图5(b)反向传输模式减少使用了4个频隙，并且对于双向不对称业务需求而言更有效。

下面具体说明一种多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法的具体实施方式：

给定一个需要f个频隙的业务请求，要求建立其源节点和目的节点之间的最短路由，找出每个可能的f个频隙频谱窗口，即:从fss的λi到λi+f-1，i＝1，2，3…，首先判断每个链路是否可以提供这样一个空闲的频谱窗，如果有任何无法提供这样的频谱窗的链路，记录下来，最后统计在当前频谱窗下，不能提供的链路总数li。如果所有的链路都可以提供，则li＝0。

然后，对下一个f个频隙的频谱窗，即从fss的λi+1到λi+f，重复相同的处理，以找到li+1。对所有频谱窗都操作完成后，找到其中最小的li为如果lmin＝0，这代表至少有一个频谱窗可以以当前的路由建立当前的光通道，那么就可以用一个辅助图来分配当前路由上的mcf光芯和频隙，辅助图在下文进行详细介绍。否则，如果lmin＞0，可以找到第一个li＝lmin的频谱窗的i^*，然后对于频谱窗的i^*缺少的链路上添加lmin根mcf，这确保添加最少的mcf并使所有链路基于频谱窗的i^*上的路由可用，这样也就可以运行后续的基于辅助图的算法，并基于当前路由分配mcf光芯和频隙。

需要进行详细说明的是，辅助图的具体实施过程如图6所示，具体可以是：

假设路由穿过两个mcf链路，如图6(a)所示。基于当前路由，创建一个如图6(b)所示的辅助图。遍历所有的频谱窗，从s到d方向上，没有被使用过的光芯或与当前方向相同的有可用频谱窗的光芯，被映射成连接两个辅助节点的单向辅助链路，可以参见图6中链路1上没有被使用过的光芯3和被其他业务使用过的光芯1。

如果mcf中光芯的方向与当前业务为相反方向，例如，链路1中的光芯2对当前业务为相反方向；或对于当前频谱窗不可用，例如，链路2中的光芯2对当前频谱窗不可用，则不会建立相应的辅助链路。mcf链路上每个辅助链路的成本被设置为：

其中，f是频谱窗中频隙的总数，cfi是如果通过当前链路建立光通道，则在当前mcf中对于第i频隙，增加的光芯间串扰因子。

接下来，通过虚拟节点将mcf内的光芯互连，如图6(b)所示，将每个节点分裂成两个部分，并添加辅助链路将两端分别连接。特殊的，源节点的辅助节点的前端为一个，如图6中所示的s-s，类似的，目的节点的末端也只有一个，如图6中的d-d。每个辅助链路的成本设置如下：如果其目的虚拟节点对应于未使用的mcf光芯，则将其成本设置为非常大，例如可以设置为10⁴，以避免在使用其他使用过的光芯上的频隙资源之前使用该未使用的光芯。否则，成本设置为非常小，例如0.01。对于节点s和d，也类似地添加辅助链路。

最后计算首次命中(ff)与成本最小(lc)相应的mcf的数目和相应的串扰因子：基于上文已创建的辅助图，通过最短路由算法找到当前频谱窗，其成本为接着，运用上述两种策略，即首次命中策略和成本最小策略。前者是使用第一个的频谱窗建立光通道并分配光芯和频隙，后者是扫描所有可用的频谱窗，选择成本最小的那一个，即：

具体的计算首次命中与成本最小所需的mcf的数目和相应的串扰因子过程为：将11节点、26链路的cost239和14节点、21链路的nsfnet作为测试网络评估提出的策略。仿真计算中使用的mcf均为上面提到的7芯mcf，但这些策略对其他类型的mcf也适用。在mcf的每个光芯中，共有320个频隙可用，并且每个光通道的频谱分配是弹性的和在传统的弹性光网络(eon)中一样。通过模拟500个双向的业务，每个业务由节点对之间的两个单向光通道组成，每个单向光通道的带宽都在[5，2x-5]频隙的范围内的随机分布，其中x是所需的频隙的平均数。这里需要进行说明的是，业务带宽是从对应的节点对以及根据光通道的距离或信号质量可以使用的调制格式之间的实际带宽需求出的频隙数。基于流量不对称问题，为其中一个单向光通道分配了更大的带宽，这里设置为其源节点索引大于目的节点的索引的一方，反之亦然。需要进行说明的是，光信道的建立总是使用基于每个节点对之间物理距离的最短路由进行建立。反向传输和同向传输的光芯选择和频隙分配都会运用到辅助图。

接下来，评估首次命中与成本最小所需mcf的总数，网络中每个链路上的mcf的总和随着每个单向光通道的频隙的平均数量的增加而改变。基于cost239的结果如图7所示，其中图例“counter”和“co”分别对应于每个mcf中光芯同向传输和反向传输的策略；“ff”和“lc”分别表示上文提到的基于辅助图算法光芯和频隙的两种选择策略，左y轴表示所需的mcf数量。由图7可以看出，首先，随着分配给每个通道的频隙的平均数量的增加，mcf的数量增加，这是因为需要更多的带宽。比较反向和同向传输可以看出，前者对于首次命中和成本最小策略所需的mcf数量都显著减少，分别高达39％和42％。此外，成本最小策略优于首次命中策略超过30％，因为成本最小策略对于光芯和频隙的选择是基于最少的未使用的光芯和最少的光芯间串扰进行的，因而提高了多芯光纤网络资源的利用率。

在图7中还比较不同方案之间的光芯间的串扰，见右侧的y轴。本具体实施方式可以用咩歌光通道中的每个频隙的平均光芯间串扰因子来计算光芯间串扰，公式为其中l是网络中链路的集合，w是每个光芯中的频隙的集合，d是建立的光通道的集合。cfi^f是链路i中频隙的f的光芯间串扰因子。fsd是光通道所需的频隙数目。与同向传输情况相比，反向传输情况会有较低的光芯间串扰，在ff和lc策略的低流量需求，例如，当x＝10时，光芯间的串扰可减少多达28倍。此外，因为优先选择具有最低串扰的光芯和频隙，成本最小策略比首次命中策略具有更低的光芯间串扰。

最后，基于nsfnet网络x＝15下，评估双向流量需求的不对称率如何影响网络性能，借此研究光芯反向传输的优点，如图8所示。由图8可以看到，随着不对称率ar的增加，不同策略之间的mcf数量的差异变得越来越大，反向传输的优势远远优于同向传播，高达83％。这是因为同向传输始终以节点对之间较大的来服务，因此，不对称率的增加使得网络服务中带宽的浪费越来越大。同时随着业务不对称性的增强，两种方案之间的光芯间串扰的差异仍然保持着。由此可见，本具体实施方式提供的多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法通过利用交错方向分配多芯光纤中的光芯及相应的频隙，既抑制了多芯光纤网络中的同向光芯之间的串扰问题，又提高了多芯光纤网络资源的利用率，从而优化了多芯光纤网络业务传输的网络规划。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的多芯光纤网络流量不对称业务传输的网络规划方法及网络进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。