一种弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法

摘要

本发明涉及一种弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法，属于光纤通信技术领域。本发明根据业务请求，统计最短光路上节点邻接链路频谱使用，根据当前光路的节点频谱使用度与全网所有节点平均频谱使用度，设计节点负载状态公式。由节点负载状态公式和候选光路频谱空闲度，判定最短光路的负载。当最短光路为轻负载时，设计可用频谱感知的光路带宽预留疏导节能路由方法，根据光路可用频谱大小，为业务动态预留光路和频谱资源，提高业务疏导成功概率和减少光路的耗能；当最短光路为重负载时，基于光路跳数和频谱连续度的光路代价公式，设计负载均衡的最小代价光路路由方法，提高业务成功传输概率和降低业务的带宽阻塞率。

说明书

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法。

背景技术

高速增长的新兴网络业务如视频点播，视频会议，云计算，大数据等，使得IP业务量呈现出爆炸式的增长，通信网的带宽资源正面临前所未有的挑战。光纤由于具有高容量、抗干扰能力强以及质量轻巧等优点，成为通信网主要的传输媒介。传统的光传输技术业务从源节点传输到目的节点，中间节点需上下路进行光-电-光转换，除了受到电层带宽瓶颈限制外，随着传输距离和传输速率的提高，物理损耗和网络能耗也越来越严重，使得网络扩展性较差难以满足未来网络的发展需求。为了满足未来网络应用的需求，传输网络正朝着全光、灵活可扩展和节能的方向发展。传统的波分复用(Wavelength DivisionMultiplexing,WDM)技术在一条光纤上频分复用承载多个波长信道，大大提升了网络带宽容量。然而，随着业务种类和大小的多元化，这种固定栅格的波长分配方式，缺乏灵活性，存在频谱利用率低的缺点，限制了光网络的高速发展。基于光正交频分复用(Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,O-OFDM)技术的弹性光网络(ElasticOptical Networks,EONs)可根据业务大小灵活分配子载波数目，同时高频谱效率调制方式的使用进一步提高了频谱利用率，成为极具潜力的下一代智能光网络。

弹性光网络技术的发展吸引了许多学者的关注，弹性光网络的频谱灵活性在带来诸多优势的同时也带来了新的挑战。业务传输需要满足频谱一致性和连续性约束，如何合理调度网络和节点资源，成为研究的首要目标。大量的研究集中在如何提高弹性光网络带宽阻塞率性能，忽略了能源有效性的设计。然而随着网络流量和业务的爆炸式增加，以及网络规模的不断扩展，势必会导致网络能耗的急剧上升，使得其碳排放量占全球排放总量的比例日益增加。既增加了网络的代价也不利于可持续发展的国家战略政策，从而成为制约网络发展的关键因素，能源有效灵活光网络的发展迫在眉睫。首先，针对不断激增的网络用户和业务量，网络运营商将会投入更多的资金对网络进行扩展和升级，这无形中增加了节点设备的数目，如转发器、光放大器、光交叉连接器以及路由器等，从而增加网络的能耗；其次，业务的不均匀分布将会导致，网络资源的浪费，能耗增加；最后，不合理的业务传输方式，加剧了网络资源的消耗，能效降低。弹性光网络中能耗主要来源于光网络节点设备和光纤链路两方面，研究节能的弹性光网络路由，对网络的快速发展和资源节约十分必要。而传统的节能路由方法，随着网络负载的增加，可用频谱资源减少，带宽阻塞率性能较差，不能满足用户的需求。因此，基于网络负载研究均衡带宽阻塞率与能耗性能均衡的弹性光网络路由方法意义重大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法，当光路处于轻负载时，降低网络传输能耗；当光路处于重负载时，降低带宽阻塞率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法，采用基于最短光路节点邻接链路频谱状态的节点负载状态公式和光路频谱空闲度判定最短光路节点和光路上资源使用情况，基于路径的负载情况，自适应地选择不同的路由方法均衡传输能耗和业务的带宽阻塞率性能，具体地，包括以下步骤：

S1：考虑节点邻接链路和最短光路上频谱使用度，根据光路的节点负载状态公式，判断最短光路当前的负载状态；

S2：根据步骤S1判定的光路负载状态，若为轻负载，选择以降低能耗为主要优化目标的可用频谱感知的光路频谱预留疏导节能路由方法提高业务疏导成功率；若为重负载，选择以降低带宽阻塞率为主要优化目标的负载均衡最小代价光路路由方法基于光路代价公式选择最小代价光路传输。

进一步，所述步骤S1具体为：

根据节点频谱使用度公式计算最短光路上每个节点的邻接链路频谱使用度，计算全网所有节点的邻接链路平均频谱使用度，计算最短光路上频谱空闲度；将节点频谱使用度与全网所有节点的平均频谱使用度比较，并判断最短光路上频谱空闲度是否低于光路可用剩余带宽阈值ΔB_threshold，为防止阈值设置过低，导致网络出现瘫痪，根据二八准则，设置阈值大小为0.2进行的仿真实验验证，根据比较的结果，判断最短光路节点和光路上频谱资源的使用情况，判定最短光路的的节点负载状态。

进一步，所述步骤S2具体为：

若判定最短光路为轻负载，为业务执行光路频谱预留操作，预留频谱大小综合考虑转发器的端口速率、业务请求速率和光路上的空闲频谱块，最优化可预留频隙数目，防止预留的光路因无可用转发器端口而阻塞；同时，避免为业务预留过多频隙，造成带宽浪费，在业务新建光路失败时，引入业务抢占机制，抢占预留的光路传输业务，降低频谱预留对后续业务传输的影响；若判定最短光路为重负载，为每条候选光路选择使得发射机消耗最少子载波的可行调制等级，同时根据基于光路跳数和频谱连续度的光路代价公式，选择最小代价光路传输业务。

进一步，所述节点负载状态的计算公式为：

ls_i＝nf_i/N_F

其中，ls_i表示节点i的负载状态，nf_i为节点i的频谱使用度，N_F为全网所有节点平均频谱使用度，当ls_i的值大于1时，表示该节点周围链路可用频谱少于全网平均可用频谱，且节点i的转发器使用数目超过网络平均转发器使用数目，判定节点i为重负载节点，否则判定节点i为轻负载节点；l_i为第l_i条与节点i邻接的链路，L_i为与节点i邻接的链路的数目，F为链路上总的频隙数目，N代表全网中节点的数目，表示第l_i条邻接链路上第j个频隙的使用情况，若使用该频隙则记为1，否则为0。

进一步，所述光路频谱预留操作为：

预留光路频谱大小考虑转发器剩余转发能力，当转发器的剩余能力足够时，考虑不同业务传输情况下，需要预留的频隙数目不同，动态地选择满足业务请求的可用频谱块，再将预留频谱块大小与业务最大请求速率相比较，选择不超过业务最大请求速率的最大可预留频谱块，减少频谱过度预留的带宽资源浪费。

进一步，所述光路代价公式为：

其中，pi_hop为候选光路的跳数，pi_cs为候选光路的频谱连续度，β为很小的数值，β＝0.0001，避免分母为0；c_p为候选光路业务承载能力，为光路候选光路p上第i个频隙的使用情况，若第i个频隙空闲则为1，否则为0；表示候选光路p上最大空闲频谱块所含的频隙数目；B_n为空闲频谱块集合，R为业务带宽需求类型集合，为候选光路的第j个空闲频谱块带宽大小，R^k为集合R中第k个类型的业务所需带宽大小。

本发明的有益效果在于：本发明首先根据最短光路上节点的邻接链路的频谱使用度，设计节点负载状态公式来判定节点负载情况。如果当前光路处于轻负载，设计可用频谱感知的光路带宽预留疏导节能路由方法，增加业务疏导概率，减少耗能器件的使用，同时选择能耗最小的调制等级来节能。如果当前光路处于重负载，提出基于光路跳数和频谱连续度为光路代价的负载均衡最小代价光路路由方法，选择频谱消耗最少的调制等级来降低阻塞率。

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为网络拓扑及最短光路示意图；

图2为光纤链路上各频隙的使用示意图；

图3为弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法流程图；

图4为可用频谱感知预留疏导方法流程图；

图5为负载均衡最小代价光路路由方法流程图；

图6为负载均衡最小代价光路路由方法实施例示意图。

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。

本发明提供的一种弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法，在业务到来时，首先为业务使用Dijkstra算法计算源-目的节点间的最短光路，根据光路上节点的邻接链路频谱使用情况设计了节点频谱使用度公式，基于该公式计算节点和全网的频谱使用度，判断最短光路上节点是否包含重负载节点。若包含重负载节点，进一步计算最短光路的频谱空闲度，若频谱空闲度低于剩余可用剩余带宽阈值，判定最短光路为重负载光路；否则为轻负载光路。若为轻负载光路，则说明光路上频谱资源充足，路由就以优化网络能耗为主要性能指标，基于可用频谱感知的光路带宽预留疏导节能路由方法选择传输光路；若为重负载光路，光路上可用频谱不足，路由就以优化带宽阻塞率为主要性能指标，基于负载均衡最小代价光路路由方法选择光路传输。

可用频谱感知的光路带宽预留疏导节能路由方法具体的实施过程包括：首先，判断源-目的节点的转发器剩余容量是否满足业务传输，若不满足传输，就阻塞该业务；否则，判断是否存在与业务请求相同源-目的节点的光路。若存在源节点和目的节点相同的已有光路，计算源节点和目的节点的转发器剩余容量，记录其中较小的，优先为业务左边疏导，记录业务左边疏导后相邻空闲频谱块中较大的频谱块的带宽，将记录的转发器剩余容量、空闲频谱块带宽与最大业务请求速率比较，选择其中最小的作为左边疏导后的最优预留频谱带宽大小。若不能左边疏导，为业务右边疏导，预留最优频谱带宽大小。当业务无法疏导时，为业务新建光路传输，使用首选命中(First Fit,FF)算法分配频谱；当业务新建光路失败时，抢占预留频谱传输，使用尾端命中(LastFit,LF)算法分配频谱。同时，选择满足调制方式距离约束下能量消耗最小的调制等级来节能，当新建光路或抢占传输成功时，综合考虑转发器剩余容量、空闲频谱块带宽与最大业务请求速率，选择最小的一个作为最优预留频谱带宽大小，为下一业务预留频谱块。

负载均衡最小代价光路路由方法具体的实施过程包括：首先，判断源-目的节点的转发器剩余容量是否满足业务传输，若不满足传输，就阻塞该业务；否则，判断候选光路的跳数是否超过设定的跳数阈值。若不满足跳数阈值，选择下一条候选光路；否则，计算出该光路的物理跳数和光路的频谱连续度，基于光路代价公式计算出光路的代价，存放到集合P_cost中，从集合P_cost中，选择代价最小光路传输。若最小代价光路无法满足传输，选择次小代价光路传输，成功找到传输光路后，选择满足调制方式距离约束下频谱消耗最少的调制等级来减少频谱使用，同时使用首选命中算法进行频谱分配。

本发明提供的一种弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法可以均衡能耗和带宽阻塞率性能，在业务负载较轻时，优化预留光路频谱带宽大小，提高业务疏导概率，减少耗能器件的使用；在业务负载较重时，基于负载均衡思想设计光路权重公式，预防瓶颈链路发生，降低网络带宽阻塞率。

实施例：

如图1所示网络拓扑，假设有业务请求为r1(1,6,40Gb/s)，r2(1,4,60Gb/s)，链路上的数字为节点间物理距离，如图1中链路1-2上所标的数字表示节点1到节点2的物理距离为400km。通过Dijkstra算法分别为业务r1和r2计算出最短光路1(1-6)和最短光路2(1-2-4)。结合该实例说明本发明所述弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法的步骤1。

图2为图1所示网络拓扑的链路频谱使用情况，每条链路上有16个频隙，每个频隙大小为12.5GHz，假设光路可用剩余带宽阈值ΔB_threshold为0.2，其中每个节点的邻接链路频谱使用度由公式(1)计算出，其中nf_i为节点i的频谱使用度，N_F为全网所有节点平均频谱使用度，l_i为第l_i条与节点i邻接的链路，L_i为与节点i邻接的链路的数目，F为链路上总的频隙数目，N代表全网中节点的数目，表示第l_i条邻接链路上第j个频隙的使用情况，若使用该频隙则记为1，否则为0。根据图1和图2可知业务r1最短光路1(1-6)经过节点1和节点6，节点1的邻接链路为1-2，1-3和1-6，业务r2最短光路1(1-2-4)经过节点1、节点2和节点6，节点2的邻接链路为1-2，2-3和2-4，节点4的邻接链路为2-4，4-5和4-6。节点1邻接链路1-2上已使用频谱数目为7，邻接链路1-3上已使用频谱数目为6，邻接链路1-6上已使用频谱数目为13，按照公式(1)计算出节点1的nf₁值为8.67，同理，可计算出节点6的nf₆值为8.67，节点2的nf₂值为6.67，节点4的nf₄值为6，如图2所示。依次计算出所有节点的频谱使用度，由公式(1)可计算出全网所有节点平均频谱使用度N_F值为7.11。基于公式(2)可计算出节点1、节点2、节点4和节点6的负载状态。公式(2)中，ls_i为节点i的负载状态，当ls_i的值大于1时，表示该节点周围链路可用频谱少于全网平均可用频谱，且节点i的转发器使用数目超过网络平均转发器使用数目，判定节点i为重负载节点，否则判定节点i为轻负载节点。计算可得节点1和节点6为重负载节点，节点2和节点4为轻负载节点。

ls_i＝nf_i/N_F>

为了进一步评估光路负载状态，需要计算光路的频谱使用情况，由公式(3)来表征光路频谱空闲度。公式(3)中，和分别表示光路上总的连续空闲频谱带宽大小，光路总的频谱带宽大小。

根据图2和公式(3)可计算出光路1(1-6)和光路2(1-2-4)的频谱空闲度值分别为0.19和0.44，光路1频谱空闲度值小于光路可用剩余带宽阈值ΔB_threshold，光路(1-6)被判定为重负载光路，执行负载均衡最小代价光路路由方法选择传输路由，光路2频谱空闲度值大于光路可用剩余带宽阈值ΔB_threshold，光路(1-2-4)被判定为轻负载光路，执行可用频谱感知的光路带宽预留疏导节能路由方法选择传输路由。

下面将结合图3对本发明的弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法进行更为详细的介绍，具体流程可分为下面几个步骤：

S1：输入：网络拓扑G(V,E)，其中V为网络节点集合，E为链路集合，业务请求ri(s,d,br)，转至S2；

S2：释放网络资源：当网络中有业务离开时，释放其占用的频谱和转发器端口资源，转至S3；

S3：使用Dijkstra算法为业务计算最短光路，将该最短光路上的节点存放到集合N_P中，转S4；

S4：为集合N_P中的每个节点使用公式(1)计算每个节点的邻接链路频谱使用nf_i，同时计算出全网节点平均频谱使用度N_F，转S5；

S5：根据公式(2)判断该光路上是否包含重负载节点，若包含重负载节点且最短光路的频谱空隙度低于可用剩余带宽阈值，判定该光路为重负载光路，转至S6；否则为轻负载光路，转至S7；

S6：最短光路为重负载光路，执行负载均衡最小代价光路路由方法选择传输路由；

S7：最短光路为轻负载光路，执行可用频谱感知的光路带宽预留疏导节能路由方法选择传输路由；

S8：业务离去，转S2。

为说明本发明所述弹性光网络中基于频谱预留的负载感知能效路由方法的步骤2。下面将结合图4对可用频谱感知的光路带宽预留疏导节能路由方法进行详细的说明，具体流程可分为下面几个步骤：

S101：输入：可用频谱数组S和已预留频谱数组S_res，保存已有光路的容器V_P，保存预留光路容器V_res，保存可用频谱块的容器V_B，K条候选光路，i＝1；

S102：判断源目的转发器剩余容量是否满足传输，若满足转S103；否则阻塞该业务；

S103：遍历容器V_P，判断是否存在源节点目的节点与业务请求ri相同的光路，若存在光路V_i转S104；否则转S108新建光路；

S104：计算源-目的节点转发器的剩余容量大小C_tx,C_rx，取较小的记为C_tr＝min{C_tx,C_rx}，计算光路V_i上可用的频谱块，保存在V_B中；

S105：左疏导：遍历V_B,如果存在频谱块V_bi满足请求带宽大小，且V_bi的末尾索引值等于V_i的起始索引值减1，执行左疏导操作转S107；否则转S106；

S106：右疏导：遍历V_B,如果存在频谱块V_bj满足请求带宽大小，且V_bj的起始索引值等于V_i的末尾索引值加1，执行右疏导操作转S107；否则转S108新建光路；

S107：更新预留：计算光路V_i可用频谱块，更新V_B。若是左疏导，寻找可用频谱块的末尾索引值等于V_bi的起始索引值减1的频谱块，记录该频谱块大小n1，寻找可用频谱块的起始索引值等于V_i加1的频谱块，记录该频谱块的大小n2，选择其中较大的频谱块记为n_max，将n_max与业务最大请求速率b_max和C_tr比较，选择其中最小的作为频谱预留大小将该光路保存在容器V_res，将数组S_res中的当前预留频隙设为占用；(若是右疏导，寻找可用频谱块的起始索引值等于V_bj的起始索引值加1的频谱块，记录该频谱块大小n1，寻找可用频谱块的末尾索引值等于V_i减1的频谱块，记录该频谱块的大小n2，选择其中较大的频谱块记为n_max，将n_max与业务最大请求速率b_max和C_tr比较，选择其中最小的作为频谱预留大小将该光路保存在容器V_res，将数组S_res中的当前预留频隙设为占用)；

S108：新建光路：在源-目的节点的第i条光路上，使用FF算法在数组S_res中寻找可用频谱进行分配。若频谱分配成功，转S107；否则转S109；

S109：抢占传输：在源-目的节点的第i条光路上，使用LF算法在数组S中寻找可用频谱进行分配。若频谱分配成功，转S107；否则令i＝i+1；

S110：如果i＞K，阻塞该业务请求；否则返回S108。

下面将结合图5对负载均衡最小代价光路路由方法进行详细的说明，具体流程可分为下面几个步骤：

S201：输入：可用频谱数组S，保存可用频谱块的容器V_B，K条候选光路，i＝1，光路代价集合转S202；

S202：判断源-目的节点转发器剩余容量是否满足业务传输，若满足转S203；否则阻塞该业务；

S203：判断第i条候选光路，是否超过光路的跳数阈值H_threshold，若超过选择下一条候选光路，令i＝i+1；否则转S204；

S204：基于光路代价公式，计算光路i的代价pi_cost，将该光路的代价存放在集合P_cost中，转S205；

S205：如果i＞K，从集合P_cost中选择代价最小的光路传输；否则选择剩下的光路，转S203；

S206：若成功找到传输光路，使用FF算法进行频谱分配；否则阻塞该业务。

为进一步阐明负载均衡最小代价光路路由方法，以图6所示为例，假设业务源-目的节点转发器带宽剩余容量满足业务传输，业务请求的源节点为1目的节点为6，采用Dijkstra算法计算出三条候选光路，分别是光路1(1-6)、光路2(1-3-5-6)和光路3(1-2-4-6)。图6中网络拓扑上的数字为节点间物理距离，假设业务请求的大小有40Gb/s、60Gb/s和100Gb/s三种，采用的调制方式有BPSK、QPSK、8QAM、16QAM四种，调制方式与传输速率的关系如表1所示，由图6可知，三条传输光路长度分别为1400km、1850km和1800km，都可采用QPSK调制方式传输业务。业务传输时需要的频隙数目可由公式(4)计算：

其中br表示业务的传输速率，则业务所需的频隙数为N_ri，e_m为调制等级为m时的频谱效率，B_fs为单个频隙的带宽，一般取12.5GHz，G为保护带宽，一般取1FS。

表1不同调制方式下子载波传输速率、最大传输距离

根据公式(4)可计算出当采用QPSK调制方式时，三种业务传输需要的频隙数分别为3FS、4FS和5FS。由公式(5)可分别计算出三条候选光路的业务承载能力c_p，公式(5)中B_n为空闲频谱块集合，R为业务带宽需求类型集合，为候选光路上的第j个空闲频谱块带宽大小，R^k为集合R中第k个类型的业务所需带宽大小。如图6所示，光路1中空闲频谱块数目为3，光路2和光路3中空闲频谱块的数目也为3，根据公式(5)计算出光路1的业务承载能力为0.25，光路2和光路3的业务承载能力分别为0.5和0.71。

同时，根据图6可知，光路1、光路2和光路3上空闲频隙数目分别为7，7和11，三条光路上最大空闲频谱块所含的频隙数目分别为光路1是3，光路2是4，光路3是5。可由公式(6)计算出三条候选光路的频谱连续度pi_cs。

为光路候选光路p上第i个频隙的使用情况，若第i个频隙空闲则为1，否则为0。表示候选光路p上最大空闲频谱块所含的频隙数目，F表示链路总的频隙数目。由图6中各光路的频谱使用度，可计算出光路1的频谱连续度为0.33，光路2的频谱连续度为0.88，光路3的频谱连续度为2.46。光路1的跳数为1，光路2的跳数为3，光路3的跳数为3，根据公式(7)可计算出候选光路代价分别为：光路1代价为3.03，光路2代价为3.41，光路3代价为1.22。因此业务传输时，优先选择光路3，其次选择光路1。

其中，pi_hop为候选光路的跳数，pi_cs为候选光路的频谱连续度，β为很小的数值(β＝0.0001)，避免分母为0。

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。