频谱灵活全光网中资源分配与优化关键技术研究

【摘要】：随着宽带业务的普及和互联网的飞速发展,带宽需求呈现爆炸式的增长,超大容量、动态灵活的全光网技术成为未来发展趋势。传统波长路由全光网采用“一刀切”的固定的带宽分配和性能管理模式,导致网络灵活性差、带宽利用率低、节点功耗大。而频谱灵活光网络通过引入可变带宽的光收发和光交换机制,能够有效利用频谱资源,具有广阔的应用前景。由于频谱灵活光网络结构支持对光层频谱粒度的精细划分和动态调整,给实现频谱资源的分配与优化提出了新的挑战,具体表现在频谱描述方法、路由计算及频谱分配、频谱重构等方面。论文在国家863计划项目的支持下,对以上问题进行了深入研究,取得了若干具有创新性的成果,完成的主要工作和创新点如下： 第一,针对频谱灵活全光网中频谱状态复杂多样的特点,通过分析频谱分配过程中需要满足的多种约束条件,根据链路及网络频谱使用状态,设计了两种支持灵活谱利用的频谱描述方法：基于频谱连续度的频谱描述方法和基于路径频谱连通度的频谱描述方法。在基于频谱连续度的描述方法中,引入了链路频谱连续度和路径频谱连续度概念,用来表征链路和路径中频谱资源的可利用程度；在基于路径频谱连通度的描述方法中,通过定义节点频谱特征向量和路径频谱连通度,能够有效地表示节点的频谱交换性能以及同一路径上不同节点频谱交换能力的一致性。这两种频谱描述方法为后续的路由计算及频谱分配、频谱重构提供了理论基础。 第二,频谱灵活光网络中保持频谱连续性及完整性对资源配置及优化具有重要意义。其核心在于如何有效规范路径和链路频谱资源分布。本文引入了面向路径频谱资源、面向同一路径链路频谱资源、面向重载瓶颈链路频谱资源的规范化策略,提出基于最大路径频谱连续度(MPSC)、最大链路频谱连续度(MTLSC)以及最大重载链路频谱连续度(MHLSC)三种动态频谱分配算法。上述三种算法特点在于：一方面,由于采用频谱连续度作为约束条件优化频谱分配,可最大程度地保持频谱的连续特征,抑制了频谱碎片的产生。另一方面,这三种算法能够充分利用链路上或路径上的已经分布的频谱碎片,从而显著提升了频谱资源利用率。利用频谱灵活光网络仿真平台对上述算法进行了功能实现,仿真结果表明上述三种基于频谱连续度的动态频谱分配算法可以明显改善多速率混合场景下的网络阻塞率特性。其中MTLSC算法的性能最佳。 第三,针对频谱灵活光网络中动态路由计算问题,基于选路过程中所需满足的频谱连续性及频谱邻接性双重约束条件,提出了一种基于蚁群优化机制的动态路由优化算法,并采用OMNet++仿真工具完成了算法的功能实现。在该算法中,人工蚂蚁沿路搜集路径路径长度信息和频谱连续度信息,并保存为自身私有数据。在蚂蚁所经过的网络节点,其阅读并根据私有数据更新网络节点的路由表内容,从而使路由表信息更准确的反映当前网络状态。该算法综合考虑了路由长度信息和频谱连续度信息,通过选择频谱碎片较少的短路径,可增加连接请求建立成功率。仿真实验结果表明基于蚁群优化机制的动态路由算法与传统波长路由算法相比可降低阻塞率50%,并且在多速率混合传输场景下具备较好的适应性。 第四,针对频谱灵活光网络中频谱重构问题,分析了频谱碎片产生机理及支持碎片整理的频谱规划方法,分别围绕面向受阻业务的判决机制以及面向网络性能的判决机制,提出了两种基于路径频谱连通度的频谱重构算法,即：最大化路径频谱连通度算法(MPC)及路径频谱连通度触发算法(PCT),同时构建了基于性能代价比的频谱重构效益评估模型。仿真结果表明,与无重构情况对比,MPC算法及PCT算法均能有效改善频谱灵活光网络的阻塞率性能；在业务轻载时MPC算法频谱重构效益值较大,在业务重载时,PCT算法频谱重构效益值较大。