一种基于多跳路由的弹性光网络频谱分配方法与流程

本发明涉及弹性光网络和频谱资源分配技术领域，特别是指一种基于多跳路由的弹性光网络频谱分配方法。

背景技术：

为提高弹性光网络(elasticopticalnetworks，eons)的频谱资源利用率，很多研究者将距离自适应调制(distanceadaptivemodulation，dam)技术应用于弹性光网络中，以解决路由和频谱分配(routingandspectrumassignment，rsa)问题。但由于在eons中需要遵循频谱连续性和邻接性限制条件，即业务请求必须占用源宿节点间光路上所有链路的相同位置的等量频谱资源，使得大量业务请求的动态建立与拆除必然引起网络的频谱碎片问题，导致很难为接下来的业务请求寻求等量的可用频谱资源。因此，传统的基于单跳路由模式的dam技术在进行rsa过程中，难以适用未来网络对带宽增加的需求。

为解决未来网络对带宽增加的需求，近年来众多研究学者在rsa问题中引入了多跳路由模式。在采用基于多跳路由的dam技术时，业务请求可以在每段光路上根据传输距离自适应选择最高阶调制等级进行传输，并且在不同链路上所占用的频谱位置不受频谱连续性限制。相比于传统基于单跳路由的dam技术的rsa算法，采用基于多跳路由的dam技术的rsa算法能有效提升频谱资源利用率，降低网络阻塞率。

但是，现有技术中提出的距离自适rsa算法是在路由上的每个中间节点进行多跳(即光-电-光转换)，并没有考虑多跳节点带来的能耗增加。例如，巴西利亚大学的lucasr.costa等人提出了基于多跳路由的rsa算法，针对多跳路由的跳数阈值问题开展研究。但其中构建的跳数阈值模型是通过考虑网络拓扑和调制格式得出的，并未考虑多跳路由带来的能耗增加。南京邮电大学的冯朦等人提到，通过评估网络中节点活跃度，选取其中活跃度最高的两个节点标记为中间多跳节点。而多跳节点带来的影响分别是能耗和延时，其中延时很小，可在工程接受范围内，而多跳节点由于要进行光-电-光转换以及多跳节点调制格式的改变，使得整个过程会增加更多的能耗。

总之，以上研究所提出的多跳算法虽然一定程度上提高了频谱利用率，但同时导致了网络能耗的增长。这种核心网的能耗增长未来可能会超过接入网能耗而成为互联网能耗的主体。目前，运营商希望在提高带宽利用率的同时不会过多的增加网络能耗，即在一定网络能耗的控制下尽可能多地提高网络的带宽利用率。为此，对于多跳路由中能耗的研究就变得十分必要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种基于多跳路由的弹性光网络频谱分配方法，该方法从网络能耗的角度出发，能够在网络能耗限制下提高网络的频谱资源利用率，进而降低阻塞率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于多跳路由的弹性光网络频谱分配方法，其包括以下步骤：

(1)根据网络拓扑的能耗上限建立多跳路由的跳数阈值模型；

(2)根据跳数阈值模型和频谱连续度选取一组中间多跳节点作为虚拟路由；

(3)为业务进行频谱分配。

具体来说，所述步骤(1)具体包括以下步骤：

(101)根据网络建立单跳路由的固有能耗模型：

p固＝pi+pij

pi＝pbv-oxc+pbvt

pbv-oxc＝n×85+150

pbvt＝1.25×tr+31.5

pij＝[lij/dla]×pila+(ppre+ppost)

其中，i、j为光网络中的网元节点，p固表示业务采用单跳路由模式进行传输所消耗的能量，pi表示节点i的总能耗，pij表示网络中链路i-j上的能耗；pbv-oxc和pbvt分别表示能耗原件bv-oxc(bandwidthvariablecross-connect，带宽可变的波长交叉连接器)和bvt(bandwidthvariabletransponder，带宽可变的收发机)的功耗；n表示节点度数，即处理的波长数或信道数；tr表示能耗元件bvt的传输速率，单位为gb/s；lij表示链路i-j的总长度，dla表示功率光放大器和前置放大器之间最长的中继距离，pila、ppre和ppost分别表示线路光放大器、前置放大器与功率光放大器的功耗；

(102)建立多跳路由额外增加的能耗模型：

phop＝phopμ×m

其中，phopμ为中间节点μ进行一次转换所增加的能耗，m为路由上的中间节点跳数，phop为多跳路由带来的总共能耗；

(103)建立跳数阈值约束模型：

p固+phop≤p上限

pi+pij+phopμ×m≤p上限

n×85+150+1.25×tr+31.5+[lij/dla]×pila+(ppre+ppost)+phopμ×m≤p上限

其中，p上限为运营商对网络能耗上限的设定值，或网络中所有任意两节点之间最短距离路由中的一条最长距离路由上的能耗值。

具体来说，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(201)分析业务请求的源宿节点，根据最短路由dijkstra算法为业务寻找最短路由，最短路由上中间节点为n个，n≥1；

(202)判断n与m的大小关系，如果n≤m，则根据距离自适应调制技术，为每段光路选取最高阶调制技术；如果n>m，则转到(203)；

(203)分析影响中间节点选取的频谱碎片因素，根据频谱连续度计算公式，在众多组中间节点中确定一组权值最大的中间节点。

具体来说，所述步骤(203)的具体方式为：

(2031)计算每一组中间节点的频谱连续度；频谱连续度的计算方式为：

其中，cl为链路l的频谱连续度，f为每条链路上的频率隙个数；表示链路l上第k个频率隙的使用情况，代表该频率隙当前为空闲状态，表示该频率隙当前为被占用状态；bl表示链路l上的可用频谱块个数；

(2032)根据步骤(2031)的计算结果，选取一组权值最高的中间节点。

具体来说，所述步骤(3)的具体方式为：

若n≤m，则采用首次命中算法分配频谱；若n>m，则采用准确命中算法，即，在计算频谱连续度时已进行了频谱分配。

采用上述技术方案的有益效果在于：

本发明首先在网络拓扑能耗上限下建立了多跳路由的跳数阈值模型，然后根据碎片感知确立中间多跳节点，最后为业务进行频谱分配。对于节点对间的长距离传输光路，本发明采用多跳路由以使得整条长距离光路被分成多段短距离光路，并采用更高阶的调制格式，达到优化频谱分配，提高整个网络资源利用率和降低能耗的目的。

总之，本发明方法能够为每段短光路选取较高阶的调制格式以减少所分配的频谱资源，从而在提高网络的整体频谱资源利用率的同时控制网络能耗的增加。

附图说明

图1a～1c是本发明实施例的多跳路由示意图；其中，沙点填充的格子表示已被占用频隙，空白格子表示空闲频隙，斜线填充的格子表示业务a占用频隙；横坐标表示slots即链路上的频隙，纵坐标表示链路，图中共有四条链路，每条链路各有16个频隙。

图2是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种基于多跳路由的弹性光网络频谱分配方法，包括以下步骤：

(1)构建跳数阈值模型。根据不同弹性组网下的能耗因素，综合分析网络的固有能耗以及多跳路由带来的额外能耗，建立跳数阈值模型。

采用基于多跳路由的距离自适应调制技术来解决rsa问题，相对于单跳路由可以有效提高频谱利用率，但该策略在带来优点的同时，也相应带来额外的能量消耗，即中间节点每进行一次光-电-光转换所带来的能耗增加。针对所带来的能耗问题，本部分将通过限制多跳路由中间节点的跳数解决，在不超过组网能耗上限的同时尽可能多的进行多跳。因此如何在组网的能耗限定下构建多跳路由的跳数阈值模型，是利用多跳路由策略解决rsa问题的目标。

光信号从源节点的发射机发出，经过光纤链路和中间节点设备，送到目的端的接收机接收的过程中，处理信号的网络设备都会产生能耗，能耗主要来源于两部分，即光节点和光纤链路。

对于该部分的设计初步分为三个部分：

①根据网络建立单跳路由的固有能耗模型；

p固＝pi+pij

p固表示业务采用单跳路由模式进行传输所消耗的能量，pi表示节点i的总能耗，pij表示网络中链路i-j上的能耗。

光节点的能耗元件为bv-oxc和bvt，定义i、j为网络中的光网络中的网元节点，因此第i处光节点的能量消耗为：

pi＝pbv-oxc+pbvt

其中，pbv-oxc和pbvt分别表示bv-oxc和bvt的功耗，而他们的能耗分别为：

pbv-oxc＝n×85+150

pbvt＝1.25×tr+31.5

光路径由若干光纤链路组成，其中功率光放大器和前置放大器部署在链路的两端，一定数量的线路放大器配置在远离局站处进行在线远端放大，用来代替光电中继器补偿信号传输过程中的损耗，定义i-j表示节点i到j的有向链路集合，因此链路i-j的能耗为：

pij＝[lij/dla]×pila+(ppre+ppost)

其中，lij表示链路i-j的总长度，dla表示两个放大器之间最长的中继距离，pila、ppre和ppost分别表示线路光放大器、前置放大器与功率放大器的功耗，线路放大器的数量由链路长度决定。

②建立多跳路由额外增加的能耗模型；

phop＝phopμ×m

多跳带来的额外消耗主要是中间节点(光-电-光转换器件)的消耗，中间节点进行一次转换所增加的能耗设为phopμ，设路由上的跳数为m，phop为多跳带来的总能耗。

③结合前两部分内容以及网络能耗上限建立跳数阈值约束模型。

p固+phop≤p上限

pi+pij+phopμ×m≤p上限

n×85+150+1.25×tr+31.5+[lij/dla]×pila+(ppre+ppost)+phopμ×m≤p上限

其中，p上限为运营商对网络能耗上限的设定，通常可以默认为网络中所有任意两节点之间最短距离其中一条最长距离路由上的能耗值，m为路由上的中间节点跳数。

约束模型组成了一个完整的多跳路由中跳数阈值模型。对于网络中固有能耗和多跳路由增加的额外能耗模型，在不同弹性组网环境下可以精确计算出；对于约束模型，需要根据算法目标以及特定需求(比如运营商对网络能耗上限的设定)来构建以便达到最好效果。

(2)选取一条虚拟路由(即一组中间多跳节点)。若最短路由上的n个中间节点不大于跳数阈值m，即n≤m，那么n个中间节点均为多跳节点，并且为n+1段光路可选取较高的且不同的调制格式。但如果n>m，在跳数阈值m限制下，则需要确立中间多跳节点的选取。通过选择合适的中间多跳节点，能让不满足频谱连续性的两段光路进行独立传输，有效避免业务请求因不满足相应限制条件而被阻塞。通过碎片感知来确定光路的中间多跳节点，是解决多跳路由中间节点选取问题的最佳方式。具体方式为：

①首先在最短路由上n个中间节点中选取m个节点作为多跳节点，假设有k种组合；

②为每一种组合选取较高阶的调制格式，并计算每一种组合下虚拟路由的频谱连续度，选取一组权值最大的中间节点。

弹性光网络中的链路可用频谱连续度cl定义如下：

其中，cl为链路l的频谱连续度，f为每条链路上的频率隙个数；表示链路l上第k个频率隙的使用情况，代表该频率隙当前为空闲状态，表示该频率隙当前为被占用状态；bl表示链路l上的可用频谱块个数。

(3)根据(2)中确定的中间多跳节点以及每段光路采用的调制格式为业务进行路由频谱分配：

若n≤m，则采用首次命中算法分配频谱；若n>m，则采用准确命中算法，即，在计算频谱连续度时已进行了频谱分配。

如图1-a，业务a从源节点a到目的节点d，需要占用三个频隙，通过最短路径计算出，需要经过a-c，c-b，b-d三条物理链路，即为link1、link3、link4；图1-b为目前网络中部分频谱资源占用情况。如果按照单跳路由的距离自适应rsa方法，受到频谱连续性限制，当前网络资源无法为业务a进行分配。若通过多跳路由方法，即在b节点进行多跳，将a-d光路分成a-c-b及b-d两段光路，进而放缓频谱连续性，并且这两段光路都可以根据距离自适应调制技术选择较高的且不同的调制格式，假设a-c-b光路需要三个连续的频隙，相对较短距离的b-d光路需要2个连续的频隙，即可成功为业务a进行传输，如图1-c所示。

多跳路由不仅可以放缓频谱连续性限制条件，而且在一定条件下也可以改变调制格式。具体来说，在n≤m情况下，既可放缓频谱连续性，也可在前后不同段光路中改变调制格式；在n>m情况下，只放缓频谱连续性限制条件，因为频谱连续度计算方法需要在一条路径上采用一种调制格式。

如图2所示，该方法包括以下步骤：

(1)业务请求到来时，首先为该网络构建多跳路由的跳数阈值模型，即计算出中间多跳节点的个数m；

(2)为业务请求计算出最短路径，并计算出光路上的中间节点个数n；

(3)将跳数阈值m与中间节点个数进行比较，若m<n，则从n个中间节点中选取m个作为候选中间多跳节点：其中具有不同m个候选中间多跳节点组合有k(k>1)种，并且为每一种候选组合选取一种较高的调制格式，并通过计算频谱连续度方法为每一种组合计算频谱连续度，最后选取一组权值最大的中间节点，作为多跳节点；若m≥n，则n个中间节点均为多跳节点，为n+1段光路选取较高的且不同的调制格式；

(4)最后为业务请求进行频谱分配。

弹性光网络中由于受到光纤链路上传输损伤的影响，为保证传输质量一般采用距离自适应调制方法，即根据传输距离合理选择调制格式的相应等级，这样导致占用较多的频谱资源，降低网络的频谱资源利用率。本发明方法为一种基于距离自适应调制技术的频谱分配方法，即基于多跳路由的频谱分配方法。该方法首先在网络能耗上限下找到多跳路由的跳数阈值，并根据频谱连续度选取合适的节点标记为中间多跳节点；随后在中间多跳节点之间建立虚拟路由，为业务进行频谱分配。

本发明方法在能耗约束下计算出中间多跳节点阈值，并通过中间多跳节点将源宿节点之间的直达光路的长距离分成多段独立的短光路，从而为每段短光路选取较高阶的调制格式以减少所分配的频谱资源，能够在网络能耗上限下提高网络的整体频谱资源利用率，降低网络阻塞率。