一种基于分步求解的多层联合规划与优化方法与流程

本发明属于通信网络领域，涉及一种基于分步求解的多层联合规划与优化方法。

背景技术：

光传送网络从点到点波分复用网络结构演变为半透明和透明网络组合的光层网络。为了应对5g数据业务的快速增长，光传送网络不仅需要承载传统的固定带宽语音业务，而且还要承载各种大流量的多媒体业务，包括支持高速文件下载、超清晰视频需求、巨大的存储空间等新应用。因此，2.5g或10g等大粒度需求与2m小粒度业务(语音业务等)共存需求。同时，光传送网络也从单一结构发展到多种技术的共存。由于光传送网络是一个庞大的复杂网络，因此需要采用分级和分段的多层次管理规划模型概念构建网络模型，以便于网络的灵活设计和管理。

为了解现有技术的发展状况，对已有的论文和专利进行了检索、比较和分析，筛选出如下与本发明相关度比较高的技术信息：

技术方案1：专利号为201210059252.2的《网络规划方法与装置》专利，设计通信领域，提供了一种网络规划方法与装置，其中，网络规划方法包括：根据网络系统的目标业务负荷，对所述网络系统进行容量估算，获得所述网络系统的系统用户数，所述系统用户数包括等效用户数；根据所述等效用户数，计算所述网络系统的控制域负荷；根据所述目标业务负荷和所述控制域负荷，对所述网络系统进行链路预算。

技术方案2：专利号为201510035150.0的《网络规划方法与装置》专利，设计通信领域，提供了一种网络规划方法及装置，所述方法包括：确定用于反映小区业务情况的多个评估维度，并统计每个小区的各个评估维度的当前网络的指标值；根据所述当前网络的指标值，计算每个小区关于各个所述评估维度的价值评分；根据各个所述评估维度的价值评分，计算每个小区的总价值评分；根据每个小区的总价值评分，标识每个小区的价值属性等级；根据每个小区的价值属性等级，确定每个小区所在区域的网络覆盖策略。

技术方案1所述方法解决了现有网络规划忽视覆盖与容量间相互影响相互制约的关系，对网络规划不够准确有效的问题，实现了网络的有效规划。但是在实现过程中没有考虑到多粒度业务共存的情况，使得规划结果可能出现不准确的情况。

技术方案2所述方法能够有效的识别目标区域价值，将有限的资源投放到最能产生效益的区域，为网络精准建设提供有效依据。但是没有考虑到多层多业务传送网的复杂结构，因此在解决超高速、多层次的传送网中的路由规划优化与管理问题过程中可能会遇到问题。

多层传送网的规划可以分类为逐层独立规划和多层联合规划。前者很难得到规划方案的最优解。联合规划较于单层规划具有显著优势，但是由于多层联合规划运算较为复杂，而且多层联合规划层间协调的内容尚未存在标准，因而多层联合规划与优化一直是个较为棘手的问题。而整数线性规划作为规划与优化问题的一种解决方案已经被充分研究。整数线性规划具有能得到全局最优解的优点，但是时间复杂度过高，对于有一定规模的多层网络来说，使用整数线性规划进行网络规划，对计算机的计算要求过高，因此整数线性规划的应用受到了一定限制。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于分步求解的多层联合规划与优化方法，为了解决整数线性规划时间复杂度过高问题，本发明将复杂的规划问题划分为若干个较小的规划问题，每个较小的规划问题具有各自的目标函数，约束条件和设计变量，各子系统的优化结果通过分步求解的方法得到并由协调优化策略进行协调，以获得整个系统的最优解。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于分步求解的多层联合规划与优化方法，具体步骤为：

将网络的多层联合规划中的优化目标分为子问题a和子问题b；

其中子问题a为求解每层中每条链路承载业务的数目子问题b为求解每条链路在固定总数下具体承载哪些业务其中ti为业务矩阵；i为任意1到n的整数，a为第a层，b为第b条链路，ni为第i个固定总数，xi为固定总数为i时承载业务的集合，t为xi中a层b链路的第i个业务到达时间，r(t)为t时刻网络中到达业务网络位置，为在xi中a层b链路的第i个业务。

进一步，如果所述网络使用最短路算法为每条业务进行路由，记hkj为从k到j的业务路由的跳数，那么就是解空间约束的一个必要约束，但不是充要约束；如果存在一个从k到j的业务，l:ckm≠0andclj≠0就是“解空间约束”的一个必要约束，但同样不是充要约束；

其中解空间约束为：若子问题a满足解空间约束，则接下来子问题a的规划结果作为子问题b的输入，子问题b的解空间不为空。

进一步，如果所述优化目标为：最小化某层的平均加权跳数，那么子问题a的优化目标为子问题b没有优化目标，解空间的任何解都作为最终的优化结果。

进一步，在该方法中引入层间协调机制，具体为最顶层的业务集tn使用了次顶层的链路集ln-1used，ln-1used作为n-2层的业务继续使用n-2层的业务集ln-2used，一直到最下层，被使用的链路集为l1used；其中，任何一层的路由发生变化，都会引起其全部下层的资源使用发生变化。

本发明的有益效果在于：本发明不仅使解决整数线性规划时间复杂度过高的问题更容易处理，而且可以在并行计算机上运行，使设计周期和费用均有所降低。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为分层嵌套关系；

图2为仿真网络拓扑；

图3为仿真结果。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

多层联合规划能够利用分步求解的思想对规划工作进行有序的划分。在具体规划问题中，优化目标可以分解为：

子问题a：求解每层中每条链路承载业务的数目

子问题b：求解每条链路在固定总数下具体承载哪些业务

因而优化目标比较容易明确表达为在这个目标下，上面问题便迎刃而解。由于a-d业务与a-c业务在不同的路由方案下目标值不同，仅需要保护两条光纤的解便计算出最优解。

这种划分不仅降低了对计算机处理能力的要求，并且由于子问题a与网络规划通常的优化目标耦合较为紧密，可以预见，其计算结果与全局最优解的偏离会相对较小。而分步求解的关键问题之一就是如何将规划的目标函数，约束条件和设计变量在两个子问题之间进行分配；另一个关键问题是子问题a的结果作为子问题b的输入，解空间是否存在子问题a的约束条件包括“解空间约束”和“资源约束”。这里定义“解空间约束”为：若子问题a满足解空间约束，则接下来子问题a的规划结果作为子问题b的输入，子问题b的解空间不为空；定义“资源约束”为：每条链路被任意上层业务使用的次数不可超过该链路的带宽资源限制。子问题a的“解空间约束”的数学分析是较为复杂的问题，该问题需要进一步的研究。可以预见这一问题的解决会有力的推动传送网的路由理论。

在此将上述问题展开简略的说明，假设有某层有网络g(ni,li,bi)和业务矩阵ti，这里诸符号的定义同上。对不同链路的使用情况满足某一划分问题是：该划分在满足何种“解空间约束”的情况下，进一步为每条业务进行路由能够成功？具体地说，如果该网络使用最短路算法为每条业务进行路由，记hkj为从k到j的业务路由的跳数，那么就是“解空间约束”的一个必要约束，但不是充要约束；再者，如果存在一个从k到j的业务，l:ckm≠0andclj≠0就是“解空间约束”的一个必要约束，但同样不是充要约束。子问题b的第一个约束就是子问题a的结果除此之外，子问题b的约束还包括传统的路由连续性约束与带宽约束等，在此不作赘述。

根据子问题a和b的性质，目标函数在子问题a和b的分配中具有较大的灵活性。如果优化目标为：最小化某层的平均加权跳数，那么子问题a的优化目标为子问题b没有优化目标，解空间的任何解都可以作为最终的优化结果；设计变量在子问题a与b之间的划分是导致两个子问题区别的根本，这需要深入的研究和分析。

本发明提出的分步求解策略具有一定的可扩展性。例如子问题a的规划结果(每条链路被任意业务使用的次数)，可以考虑使用引入随机性对保护恢复指标进行量化。由于保护路由对于资源占用具有排它性(保护路由被分配的资源不可被其他业务所用)，因此保护路由可以等同于工作路由处理；而恢复路由的情况则不同，可以结合传统通信网理论中的故障概率分析部分，将恢复路由对资源的占用结合概率考虑进这样就能够在一定程度上对保护恢复的性能进行量化，从而更精确更全面的衡量网络指标。

另外，本发明在多层联合规划研究中引入层间协调机制。层间协调的内容与优化目标紧密相关。优化目标种类较丰富便决定层间协调的内容种类较多。但总体上分析，上层业务使用下层资源的总量与分步对于多数优化目标均有重要意义。如果上层业务占用下层资源过多，而且资源占用不均匀，则必然影响新业务的承载和保护恢复性能。层间协调的较为简单的内容是只涉及两层的协调。由于上层与下层是产生业务与承载业务的关系，因此称上层为客户层，下层为服务层。较为复杂的内容是多层间的协调。由于上层业务使用下层资源，因而上层与非直接下层有连续性，因而带来三层以上层次的联合规划的可能性。如图1所示。

最顶层的业务集tn使用了次顶层的链路集ln-1used，ln-1used作为n-2层的业务继续使用n-2层的业务集ln-2used，依此类推，一直到最下层，被使用的链路集为l1used。这其中，任何一层的路由发生变化，会引起其全部下层的资源使用发生变化。

例如，可以协调顶层，次顶层与最底层的资源占用总数，使用预估模型来粗略代替中间层的业务承载情况，从而简化了每层都需要求解的整数线性规划，使得计算复杂度能够降低到可以接受的程度；或者可以在最底层部署共享风险链路组，然后将共享风险链路组信息与顶层和次顶层协调，下层的保护恢复率便能够与最顶层的路由发生关联，因而对于保护恢复的指标能够更准确的求解。

为了评估提出的多层联合规划与优化模型，我们模拟运行了所提算法。如图2所示，本发明提出的结果基于nsfnet的拓扑结构，其中包含14个节点和21个链路。这些节点通过单个双向光纤连接，每个光纤承载10个波长。并且由于网络中最可能的故障为单链路故障，本发明中出现的所有故障均为单链路故障。

假设在网络设计中考虑了最优带宽分配和业务平衡策略。在光纤链路中，使用8个波长作为工作波长，还有2个空闲波长。

图3比较了多层联合规划以及ilp和传统策略在资源占用率和路径阻塞概率方面的表现。从图中可以看出，在总资源和业务需求确实的情况下，本发明提出的算法具有明显的优势。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。