空分复用弹性光网络中基于辅助图的业务能效路由方法

本发明属于光纤通信和光传送网络领域，涉及一种空分复用弹性光网络中基于辅助图的业务能效路由方法。

背景技术：

1、如今，随着物联网(iot)、5g移动业务、高清视频通话等对带宽需求较大的应用的出现，导致了互联网业务呈指数级增长。为了适应日益增长的带宽要求，光网络的传输技术需要被改进。传统的固定粒度波分复用(wavelength division multiplexing,wdm)网络采用固定的波长分配，会造成频谱资源的浪费。弹性光网络(elastic optical networks,eons)由于其灵活的频谱粒度和自适应的调制格式成为未来最有前途的光网络之一。然而，随着网络请求的急剧增加，传统的单模单芯光纤的传输容量已经接近香农极限，因此更高容量的光传输网络(opitcal transport network,otn)是研究的重点。基于多芯光纤(multi-core fiber,mcf)的eons被称为空分复用弹性光网络(space divisionmultiplexing elastic optical networks,sdm-eons)，其中每条链路由多个纤芯组成，增加了传输容量，从而能够解决当前网络中爆炸式的业务量。然而，sdm-eons在空间维度的扩展，导致了多芯光纤的芯间串扰(inter-core crosstalk,icxt)问题，对于sdm-eons来说，传统的路由频谱分配(routing and spectrum allocation,rsa)问题已经变成了更为复杂的路由、纤芯和频谱分配(routing,core,and spectrum allocation,rcsa)方面的挑战。目前，光网络是通信业务的主要媒介，大带宽通信在给人们带来便利的同时，也使得能源消耗显著增加。据估计，网络服务的爆炸式增长带来了约4％的全国能源消耗，因此光网络的高能耗问题也亟待解决。sdm-eons的能耗主要来自光节点设备和光纤链路，包括ip路由器、带宽可变转发器(bandwidth variable transponder,bvt)、带宽可变光交叉连接器(bandwidth variable-optical cross connector,bv-oxc)和光放大器(opticalamplifier,oa)，因此，对于现实的光传输网络而言，考虑降低网络的能耗并且同时解决rcsa问题迫在眉睫。因此，研究sdm-eons的业务能效路由和资源分配问题是十分必要的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空分复用弹性光网络中基于辅助图的业务能效路由方法，用于降低网络阻塞率以及提高网络能效。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、1.空分复用弹性光网络中一种基于辅助图的业务能效路由方法，其特征在于：该方法采用辅助图进行业务的能效路由选择，并采用串扰避免与感知结合的纤芯选择和频谱分配策略，实现在光传送网中业务的能效路由传输；该方法具体包括以下步骤：

4、s1：初始化空分复用弹性光网络，确定当前空分复用弹性光网络剩余频谱资源，确定芯间串扰阈值xtth，转至s2；

5、s2：遍历空分复用弹性光网络拓扑结构和各光节点、光纤链路的可用资源，为业务建立相对应的路由选择辅助图，在辅助图分别添加节点，节点内部输入端口到输出端口的内部边和节点之间的连接边，并初始化各边的权值；转至s3；

6、s3：业务r＝(s,d,lr)到达网络，转至s4；

7、s4：在弹性光网络中，根据业务r(s,d,lr)的源节点s、目的节点d以及传输速率lr值，判断弹性光网络中是否存与业务r(s,d,lr)相同源节点和目的节点的现存光路，若有，执行当前光路优先的业务能效疏导传输策略，计算业务所需频隙数目，转步骤s5；若无，在辅助图中，如果业务的源和目的节点的对应的辅助图节点的转发器容量满足业务传输速率要求，在辅助图中添加潜在光路边，转步骤s6，否则，判断业务是否为分割后的子业务，若是，阻塞业务，结束算法，否则，将业务分割为速率相同的2个业务，分别对2个子业务请求，转步骤s4；

8、s5：在弹性光网络中，在业务所选择的光路上依次轮询各纤芯上是否有满足业务速率所需和满足串扰阈值要求的空闲频谱块，若有，采用首次命中频谱分配方式为业务选择光路的纤芯和频谱块，结束算法；若无，阻塞业务，结束算法；

9、s6：在辅助图中，采用dijkstra算法为业务选择边权值最小的能效路径，在弹性光网络中确定该辅助图中所选能效路径对应的光路，在该光路上，采用基于串扰避免的准则选择最高的信号调制效率对应的调制格式，计算业务传输所需的频隙数目，转步骤s5；

10、进一步，所述s2中辅助图的建立方法，具体包括以下步骤：

11、s201：根据弹性光网络拓扑结构，将弹性光网络的各个光节点的收发器端口数目，子收发器端口数目和光节点之间连接关系表示在辅助图中，具体方法为：将弹性光网络的光节点添加为辅助图节点，辅助图的每个节点的表征信息包括：ip路由器(internetprotocol router)的收发端口，表示为in和out，转发器的收发端口，表示为tx(transmitter)和rx(receiver)，子转发器的收发端口，表示为stx(sub transmitter)和srx(sub receiver)，光交叉连接器端口，表示为oxc(optical cross connector)；转至s202；

12、s202：根据弹性光网络拓扑结构和光纤链路的连接关系，在辅助图的节点之间依次添加：节点之间的连接边，表示为conne(connection edge)，转发器之间的边，表示为txe(transmitter edge)、rxe(receiver edge)，子转发器之间的边，表示为stxe(subtransmitter edge)、srxe(sub receiver edge)，信号调制格式边，表示为mode(modulation format edge)，纤芯之间的空分复用边，表示为sdme(space divisionmultiplexing edge)，潜在光路边，表示为ple(potential lightpath edge)，现存的光路边，表示为ele(established lightpath edge)，将连接边conne的边权值设置为10-6，其余边的边权值初始化为0；

13、进一步，所述s4中当前光路优先的业务能效疏导传输策略的实现，具体包括以下步骤：

14、s401：根据业务r(s,d,lr)的源节点s、目的节点d以及传输速率lr值，判断弹性光网络中是否存在与业务r(s,d,lr)有相同源节点和目的节点的现存光路，且该光路上的空闲频谱块可以传输业务r(s,d,lr)，如果可以，将当前光路的各边的边权值设置为业务能效疏导策略的ele边权值，计算业务所需频隙数目，转s5；否则，转至s402；

15、其中，业务能效疏导策略的ele边权值为：

16、

17、上式中，ppath为现存光路为传输业务所产生的能耗；fbm为满足业务传输要求的最小频谱块包含的频隙数；fb为业务请求所需的频隙数；这里的fbm≥fb，hop为光路的跳数；ηm为信号调制格式的调制效率；

18、其中，计算业务所需频隙数目公式为：

19、

20、上式中，bf为单频隙所提供的传输速率，gb为保护带宽，设置为单频隙带宽，一般gb＝1；

21、s402：在辅助图中，判断业务r(s,d,lr)的源节点和目的节点对应辅助图中的节点的收发器端口速率是否满足业务请求速率lr需求，如果辅助图中的节点的收发器端口速率不满足并且业务为已经分割的业务，阻塞业务请求，结束算法；如果辅助图中的节点的收发器端口速率不满足业务的速率lr的需求，但是该业务还没有被分割，则转至s403；如果辅助图中的节点的收发器端口速率满足业务的速率lr的需求，则转至s404；

22、s403：将业务按速率均分为两个子业务，对每个子业务，分别转至s401；

23、s404：在辅助图中，若业务的源和目的节点有已经使用的转发器，且转发器的子转发器也满足业务的传输速率要求，则在辅助图中对应业务的源和目的节点位置，分别添加stxe和srxe边，并按下列方法设置边的权值，转至s405；否则，在辅助图中对应业务的源和目的节点位置，分别添加txe和rxe边；并按下列方法设置边的权值，转至s405；

24、其中，添加stxe和srxe边权值均为：(ωsbvt×lr)/2，ωsbvt表示节点的可切片转发器的能耗系数；txe和rxe设置为：(pip+psbvt)/2，pip表示弹性光网络中路由器的能耗，psbvt为弹性光网络中节点的可切片转发器的能耗，他们的值的计算公式为：

25、

26、上式中，为ip路由器启动时的固定能耗，ωip为路由器的能耗系数；为可切片转发器启动时的固定能耗；

27、s405：在辅助图中，添加ple策略的ple边权值，使用k最短路径算法，在辅助图中添加当前业务的潜在光路边，这里的k值为辅助图的平均节点度数的最大整数值，一般在nsfnet(美国自然基金网络)中k＝3；并转至s406；

28、其中，ple边权值为：

29、

30、s406：在辅助图中，添加多芯光纤层的sdme边，并对sdme边权值赋值，转至s407；

31、其中，sdme边权值为：

32、

33、上式中，ol为二元变量，当弹性光网络中的光纤链路上的光放大器被使用，ol＝1，否则，ol＝0；

34、其中，poa和poxc分别为光路上光放大器的能耗模型与光交叉连接器的能耗模型，他们的计算公式分别为：

35、

36、

37、上式中，为光交叉连接器开电时的固有能耗；n为弹性光网络拓扑中光节点的度数，与实际网络有关；为当前节点设备连接其他节点的端口能耗；表示多芯光纤与bv-oxc连接的每个端口能耗；nport为业务传输时光交叉连接器的端口数；ωoa为光放大器的能耗系数，dl表示业务通过的传输距离，doa为光路上光放大器的间隔距离；

38、进一步，所述s5中纤芯选择和频谱分配方法实现，具体包括以下步骤：

39、s501：将纤芯根据sdme边权值进行升序排序，遍历当前光路上的所有纤芯，根据上文中的业务所需频隙计算公式计算当前业务所需的频隙数；转至s502；

40、s502：判断首次命中的频谱分配方式选中的空闲频谱块是否满足业务传输速率，如果满足要求，转至s503；如果不满足，则遍历所选光路的其他纤芯的空闲频谱块，如果都没有可用的纤芯与频谱资源，则阻塞当前业务，算法结束；否则，转至s503；

41、s503：计算所选择的当前纤芯的空闲频谱块的芯间串扰值，若该芯间串扰值小于串扰阈值，则将所选光路、纤芯和频谱块资源分配给业务，业务成功传输，转至s504；否则，则尝试使用当前纤芯的其他可用频谱块或其他纤芯的可用频谱块，即转至s503，；

42、其中，芯间串扰值的计算公式如下所示：

43、

44、

45、上式中，xt表示当前纤芯的芯间串扰值，n表示与当前纤芯相邻的纤芯数，h为单位长度的芯间串扰增量值，l为业务需求传输长度；k，β，r，wth分别为耦合系数、传播常数、弯曲半径以及纤芯间距；

46、s504：判断当前弹性光网络是否存在未处理的其他业务请求，如果存在，则对未处理的下一个业务，转至s3；否则，算法结束；

47、进一步，所述s6中选择边权值最小的能效路径和确定业务的调制格式的方法实现，具体包括以下步骤：

48、s601：在辅助图中，使用dijkstra最短路径算法为业务寻找最小权重值的路径作为业务的能效传输路径；并根据辅助图中的节点与边与弹性光网络拓扑对应关系，在弹性光网络中确定所选路径对应的光路；转至s602；

49、s602：在所选光路上，为当前传输的业务建立调制格式边mode集合，并对调制格式边赋mode值；转至s603；

50、其中，mode值的计算方法为：

51、

52、s603：根据串扰避免准则，确定信号的最高调制效率与路径长度的对应关系，为业务选择mode值最小的调制效率对应的调制格式，并计算采用该调制效率ηm的业务所需频隙数目。

53、本发明的有益效果在于：本发明涉及空分复用弹性光网络中一种基于辅助图的业务能效路由方法，属于光纤通信和光传送网络领域；本发明采用辅助图进行路由选择以及串扰避免与感知结合的纤芯选择策略进行传输业务；当业务到达光网络时，构建路由选择辅助图，遍历光网络的节点设备和物理链路，分别在辅助图内添加辅助节点和辅助边，辅助节点内部的边权值与业务传输光路的能耗模型相关，辅助节点间的边考虑链路长度、空闲频隙块大小以及调制效率的影响，在路由选择时选择低能耗路由以降低网络能耗；同时，为了节约能耗，业务首先选择现存光路优先的能效光路疏导传输策略，其次，借助辅助图，选择潜在光路的能效传输策略，并选择所设计的最小权值路径对应的光路；最后，在高负载情况下，对光网络中能效路由失败的业务，采用业务分割的能效传输策略，进一步提高业务传输成功的概率和提高网络的能效。