CN104506442A - 一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，属于光通信技术领域。本方法基于距离自适应的预处理机制，为业务计算一个由若干光路串联而成的链路代价最小且占用子载波数目最少的光路环，并依据业务的定义值对业务进行降序排列；基于有效共享路径感知的光疏导路由机制，通过构造一个面向光疏导的业务决策矩阵，将业务疏导到与当前业务具有有效共享路径最多的已路由业务上；基于频谱优先分配机制，通过构造一个优先调度向量，为疏导在一个光通道中的业务优先分配所需的频谱资源。本发明所述方法能够有效地减少转发器的使用数目和子载波的使用数目，从而大大节约转发器资源与频谱资源。

Description

一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法。

背景技术

随着数字广播、物联网和云计算等多播应用需求的增长，光网络面临着业务流量***式增长所带来的巨大挑战和压力。相比传统的波分复用光网络，基于光正交频分复用的灵活网格光网络因其弹性的频谱资源分配模式和子载波调制模式，使得网络具有更高的业务承载容量，但是网络资源的增长总是跟不上业务流量的增长速度，网络资源永远是稀缺的。因此，如何合理地分配有限的网络资源是未来光通信的一个重要问题。

在基于光正交频分复用的灵活网格光网络中，业务传输时需要通过网络节点处的带宽可变的转发器将其调制到某个等级的子载波上，当网络规模增大时，网络消耗的带宽可变的转发器数量将是巨大的，如果没有有效的转发器共享策略，就将造成转发器资源的浪费；此外，网络中不同业务间保护频隙所占用的频谱资源，也造成了额外的频谱开销，导致了频谱资源的浪费。因此，如何有效地节约转发器资源与频谱资源是一个非常值得研究的问题。

目前对基于光正交频分复用的灵活网格网络的研究主要集中在单播业务上，对组播业务的研究还很少，尤其是对多点到多点组播业务。不同于一般的组播业务，多点到多点组播业务中的节点是同等的位置关系，没有确定的源节点和目的节点，通常称这些节点为成员节点。多点到多点组播业务要求业务中的每个成员节点之间能实现信息的互通，即每个成员节点都能够接收到其他所有节点的信息，也可以向其他所有节点发送信息。随着视频会议等多点到多点组播业务应用的增长，如何为这些业务安置合理的转发器资源与频谱资源就成了一个十分重要的研究课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，该方法通过距离自适应的预处理机制，根据业务成员节点的分布特点和距离自适应准则，为业务计算一个由若干光路串联而成的链路代价最小且占用子载波数目最少的光路环，并依据业务的定义值对业务进行降序排列；在路由阶段，通过构造一个面向光疏导的业务决策矩阵，将业务疏导到与当前业务具有有效共享路径最多的已路由业务所在光路环上；在频谱分配阶段，通过构造一个优先调度向量，为进行光疏导的业务优先分配所需的频谱资源。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，通过距离自适应的预处理机制，根据业务成员节点的分布特点和物理链路的权重值，为业务计算一个由若干光路串联而成的链路代价最小且占用子载波数目最少的光路环，并依据业务的定义值对业务进行降序排列；基于有效共享路径感知的光疏导路由机制，通过构造一个面向光疏导的业务决策矩阵，将业务疏导到与当前业务具有有效共享路径最多的已路由业务所在光路环上，在频谱分配阶段，基于频谱优先分配机制，通过构造一个优先调度向量，为疏导在一个光通道中的业务优先分配所需的频谱资源。

进一步，在计算光路环时，当计算完一对成员节点间的最短路径后，就将该最短路径的起点和该最短路径经过的中间节点都从临时拓扑子图中删除；然后，判断该最短路径是否经过了业务的其他成员节点，如果有成员节点在该最短路径上，则从业务的临时成员节点集合中删除该成员节点，如果没有成员节点在该最短路径上，则继续采用最短路径算法计算下一对成员节点的最短路径，直至计算完所有成员节点对；将计算出的经过了业务的所有成员节点所有最短路径串联起来后，从中查找出在串联的最短路径中节点连接度数为1的两个成员节点n₁和n₂，并从临时的拓扑子图中删除这些最短路径经过的除节点n₁和n₂以外的所有节点。然后，在该临时的拓扑子图上，采用最短路径算法计算一条连接节点n₁和n₂的最短路径。

进一步，所述的距离自适应的预处理机制，具体包括：要实现对多点到多点组播业务的排序，需要确定业务的大小，影响业务大小的因素主要有光路环的物理跳数hop、业务在每条链路上传输的总带宽以及业务可使用的最高调制等级M；根据计算出的光路环的传输路径可统计出物理跳数hop；根据公式：(|D|-1)×b可计算出业务在每条链路上传输的总带宽；在确定业务可使用的最高调制等级时，需要依据距离自适应准则，即当节点间最短路径的权重值发生变化后，该机制可重新判断变化后的权重值和不同调制等级下光信号的极限传输距离之间的大小关系，得到新的最高调制等级；最后，根据定义式：[(|D|-1)×b/(M×C_slot)]×hop计算得到业务的大小，并依据该定义式的值对业务进行降序排列。

进一步，所述的基于有效共享路径感知的光疏导路由机制，具体包括：若当前业务的成员节点包含于已路由业务成员节点集合，则可将当前业务疏导在已路由业务上；否则依据为当前业务构造的面向光疏导的决策矩阵，查找出与当前业务的光路环之间具有有效共享链路跳数最多的已路由业务，将当前业务疏导在该已路由业务上。

进一步，在基于有效共享路径感知的光疏导路由机制中，光路环间有效共享链路是指共享链路的两个端节点至少有一个是业务的成员节点的链路；如果共享链路的两个端节点均不是成员节点，而只是光路环的中间节点，则为无效共享链路；有一条以上的无效共享链路的两个光路环之间不能进行光疏导。

进一步，所述的频谱优先分配机制，具体包括：为每个业务构建一个优先调度向量，该调度向量的元素值为将要疏导在当前业务上的业务序号，在为当前业务分配频谱时，根据当前业务的优先调度向量，为将疏导在当前业务上的业务优先分配频谱资源。

本发明的有益效果在于：本发明所述的灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法能够有效地减少转发器的使用数目和子载波的使用数目，从而大大节约转发器资源与频谱资源。

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为业务传输和资源分配的总流程图；

图2为光路环构建流程图；

图3为基于有效共享路径感知的光疏导路由流程图；

图4为频谱优先分配策略流程图。

具体实施方式

本发明所涉及到的符号定义如下：

G：网络物理拓扑图；

N：网络中的多点到多点组播业务总数目；

R：待传输的多点到多点组播业务；

D：业务R的成员节点集合；

|D|：业务R的成员节点总数目；

b：业务R中每个成员节点的请求带宽，假定业务R中每个成员节点的请求带宽相等；

hop：业务R的物理总跳数；

M：业务R可使用的子载波的最高调制等级；

C_slot：子载波的最小带宽容量(12.5Gb/s)；

r_i：第i个已路由业务，i<N；

r_k：第k个已路由业务，k<N；

本发明所述方法具体步骤如下：步骤1：为网络中的每个待传输业务计算一个光路环作为业务的传输路径，其中，光路环是由连接业务成员节点的若干光路串联而成。根据预处理机制中定义的业务的大小对业务进行排序，并按降序***空链表Q中；步骤2：从链表Q中取出一个业务R，构造业务R的面向光疏导的决策矩阵W，该矩阵的权重值为业务R的光路环与网络中已路由业务r_i的光路环之间有效共享链路的跳数。如果业务R和已路由业务r_i具有相同的成员节点集合，或者业务R的成员节点集合是业务r_i的成员节点集合的子集，则直接将业务R疏导在业务r_i上，不用依据矩阵W中的权重值，算法转到步骤4；否则，如果没有已路由业务的成员节点集合包含业务R的成员节点集合，算法转到步骤3；步骤3：如果业务R的决策矩阵W中存在权重值大于零的已路由业务，则将R疏导在其决策矩阵W中权重值最大的业务r_k上，当已路由业务r_k的光路环中仅有部分链路能疏导业务R，则为业务R的光路环中剩余的链路新建光路；如果业务R的决策矩阵W中的权重值都为零，说明没有已路由业务r_k满足业务R的有效共享路径的条件，则为R新建光路环；步骤4：从链表Q中删除业务R，并将业务R顺序存入空链表Q_new中，判断链表Q是否为空，如果不为空，算法转到步骤2，否则算法转到步骤5；步骤5：从链表Q_new中取出业务R，为业务R分配频谱资源；步骤6：根据业务R与其他业务的路由疏导信息，构建业务R的优先调度向量W_s，该优先调度向量W_s的元素值为链表Q_new中将要疏导在业务R上的业务序号，如果业务R的优先调度向量W_s不为空，算法转到步骤7；如果为空，算法转到步骤8；步骤7：为调度向量W_s中的每个业务进行频谱分配，从链表Q_new中删除业务R的调度向量W_s中的所有业务；步骤8：从链表Q_new中删除业务R，更新网络频谱资源，判断链表Q_new是否为空，如果不为空，算法转到步骤5；否则算法结束。

本发明包含的模块有网络拓扑资源模块、基于距离自适应的业务预处理模块、基于有效共享路径感知的光疏导模块、频谱优先分配模块。网络拓扑资源模块实现输入网络拓扑信息、初始化网络资源以及更新网络资源；基于距离自适应的业务预处理模块实现为多点到多点组播业务构建传输路径，以及确定业务的路由顺序；基于有效路径感知的光疏导模块实现在虚拓扑上构建一个面向光疏导的业务决策矩阵，将业务疏导在具有有效共享路径最多的已路由业务所在的光路环上；频谱优先分配模块实现在虚拓扑上构建一个优先调度向量，为疏导在一个光通道中的业务优先分配所需的频谱资源。

为多点到多点组播业务构建光路环的方法为：构建两个临时物理拓扑子图G₁和G₂，并令G₁＝G₂＝G；构建业务R的临时成员节点集合，并令D₀＝D。从集合D₀的第一个节点开始，在子图G₁中，采用最短路径算法依次计算成员节点间的物理最短路径。当计算完一对成员节点间的最短路径后，就将该最短路径的起点和该最短路径经过的中间节点都从子图G₁中删除。然后，判断该最短路径是否经过了业务R的其他成员节点。如果有成员节点在该最短路径上，则从业务R的临时成员节点集合D₀中删除该成员节点，如果没有成员节点在该最短路径上，则继续采用最短路径算法计算下一对成员节点间的最短路径。然后将计算出的所有最短路径串联起来，从中查找出在串联的最短路径中节点连接度数为1的两个成员节点n₁和n₂，并从子图G₂中删除这些最短路径经过的除节点n₁和n₂以外的所有节点。在子图G₂中，采用最短路径算法计算一条连接节点n₁和n₂的最短路径。将子图G₂中计算得到的最短路径和子图G₁中计算得到的所有最短路径串联起来就构成了一个光路环。

在基于距离自适应的预处理机制中，要实现对多点到多点组播业务的排序，需要确定业务的大小，影响业务大小的因素主要有光路环的物理跳数hop、业务在每条链路上传输的总带宽以及业务可使用的最高调制等级。根据计算出的光路环的传输路径可统计出物理跳数hop；根据公式：(|D|-1)×b可计算出业务在每条链路上传输的总带宽；在确定业务可使用的最高调制等级时，需要依据距离自适应准则，即当节点间最短路径的权重值发生变化后，该机制可重新判断变化后的权重值和不同调制等级下光信号的极限传输距离之间的大小关系，得到新的最高调制等级。最后，根据定义式：[(|D|-1)×b/(M×C_slot)]×hop计算出业务的大小，并依据该定义式的值对业务进行降序排列。

基于有效共享路径感知的光疏导方法为：光疏导将多个业务疏导到一个转发器中进行传输，也就是将多个子光路聚合为一个“光通道”。如果存在已路由业务r_i，满足业务r_i和业务R具有相同的成员节点集合，或者业务R的成员节点集合是业务r_i的成员节点集合的子集，则可将业务R疏导在业务r_i上；否则依据为业务R构造的面向光疏导的决策矩阵，查找出与业务R的光路环之间具有有效共享链路跳数最多的已路由业务r_k，将业务R疏导在此已路由业务r_k上。其中，有效共享链路是指共享链路的两个端节点至少有一个是成员节点的链路。如果两个端节点均不是成员节点，而只是光路环的中间节点，则为无效共享链路；如果某个已路由业务的光路环与业务R的光路环的某段共享链路的两个端节点均是中间节点，则在业务R的决策矩阵W中，该已路由业务对应的权重值为零，业务R不能疏导在该已路由业务上。

在频谱分配阶段，频谱优先分配方法为：在光通道中的业务分配频谱时，不仅要满足子光路内的频谱连续性和一致性约束，还要满足子光路间的频谱连续性和一致性约束。为提高子光路间频谱分配成功的概率，频谱优先分配方法为每个业务构建一个优先调度向量,该调度向量的元素值为将要疏导在当前业务上的业务序号，在为当前业务分配频谱时，根据当前业务的优先调度向量，为将疏导在当前业务上的业务优先分配资源。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为业务传输和资源分配的总流程图，如图所示：

步骤1：为网络中的每个待传输业务计算一个光路环作为业务的传输路径，在预处理机制中，根据计算出的光路环传输路径，统计光路环所在的物理链路的物理总跳数hop、光路环可以使用的最高调制等级为M，并根据定义式[(|D|-1)×b/(M×C_slot)]×hop计算出业务的大小，最后依据该定义式的值对业务进行排序，并按降序***链表Q中。

步骤2：从链表Q中取出一个业务R，构造业务R的面向光疏导的决策矩阵W，该矩阵的权重值为业务R的光路环与网络中已路由业务r_i的光路环之间有效共享链路的跳数。如果存在已路由业务r_i，满足业务r_i和业务R具有相同的成员节点集合，或者业务R的成员节点集合是业务r_i的成员节点集合的子集，则直接将业务R疏导在业务r_i上，不用依据矩阵W中的权重值，算法转到步骤4；否则，如果不存在满足条件的已路由业务r_i，算法转到步骤3。

步骤3：如果业务R的决策矩阵W中存在权重值大于零的已路由业务，则将R疏导在其决策矩阵W中权重值最大的业务r_k上，当已路由业务r_k的光路环中仅有部分链路能疏导业务R，则为业务R的光路环中剩余的链路新建光路；如果业务R的决策矩阵W中的权重值都为零，说明没有已路由业务r_k满足业务R的有效共享路径的条件，则为R新建光路环。

步骤4：从链表Q中删除业务R，并将业务R顺序存入空链表Q_new中，判断链表Q是否为空，如果不为空，算法转到步骤2，否则算法转到步骤5。

步骤5：从链表Q_new中取出业务R，为业务R分配频谱资源。

步骤6：根据业务R与其他业务的路由疏导信息，构建业务R的优先调度向量W_s，该优先调度向量W_s的元素值为链表Q_new中将要疏导在业务R上的业务序号，如果业务R的优先调度向量W_s不为空，算法转到步骤7；如果为空，算法转到步骤8。

步骤7：为调度向量W_s中的每个业务进行频谱分配，从链表Q_new中删除业务R的调度向量W_s中的所有业务。

步骤8：从链表Q_new中删除业务R，并更新网络频谱资源。判断链表Q_new是否为空，如果不为空，算法转到步骤5；否则算法结束。

图2为光路环构建流程图，如图所示：

步骤1：初始化网络物理拓扑子图和节点集合。构建临时拓扑子图G₁和G₂，并令G₁＝G₂＝G；构建业务R的临时成员节点集合D₀，并令D₀＝D，即集合D₀＝D＝{v₁,v₂,v₃…,v_j-1,v_j,…,v_|D|}，其中v_j是业务R的第j个成员节点；将集合D₀中的节点组合为节点对集合D₁，并令D₁＝{(v₁,v₂),(v₂,v₃),…,(v_j-1,v_j),…,(…,v_|D|)}。

步骤2：求业务R的成员节点间的最短路径。在子图G₁上，采用最短路径算法计算集合D₁中节点对间的最短路径，且每次只计算集合D₁中的第一个节点对的最短路径。

步骤3：更新拓扑子图G₁。将该最短路径的起点和经过的中间节点都从子图G₁中删除。

步骤4：更新集合D₀和D₁。判断步骤2中计算出的节点对的最短路径经过的中间节点是否属于集合D₀。如果有中间节点属于集合D₀，则将这些节点从集合D₀中删除，并将最短路径的链路起点也从集合D₀中删除，清空集合D₁，然后将集合D₀中剩余的节点重新依次组合为节点对，存入集合D₁，算法转到步骤5；如果中间节点都不是业务R的成员节点，即没有中间节点属于集合D₀，则从集合D₁中删除该最短路径对应的节点对，算法转到步骤5。

步骤5：构建半个光路环。判断集合D₁是否为空，如果不为空，算法转到步骤2；否则，将子图G₁计算出的所有最短路径串联起来构成半个光路环。

步骤6：确定整个光路环。在半个光路环中查找光路连接度数为1的两个成员节点n₁和n₂，从子图G₂中删除半个光路环经过的除节点n₁和n₂以外的所有节点。然后，在子图G₂上，采用最短路径算法计算节点n₁到n₂的最短路径。将子图G₂中计算得到的节点n₁到n₂的最短路径和子图G₁中计算得到的所有最短路径串联起来就构成了一个光路环。

图3为基于有效共享路径感知的光疏导路由流程图，如图所示：

步骤1：初始化网络拓扑资源。

步骤2：根据基于距离自适应的预处理机制中对业务的定义，将到达的多点到多点组播业务R按定义式的大小值降序***链表Q中。

步骤3：从链表Q中取出业务R，并构造业务R的面向光疏导的决策矩阵W。构造该矩阵W的过程就是给矩阵W中的元素赋值，这里的元素值即是权重值，各个权重值的初值均为零，矩阵W中已路由业务的权重值等于该已路由业务和业务R的有效共享链路跳数。构造完业务R的矩阵W后，首先判断是否存在已路由业务r_i，满足业务r_i和业务R具有相同的成员节点集合，或者业务R的成员节点集合是业务r_i的成员节点集合的子集，如果存在满足条件的已路由业务r_i，则直接将业务R疏导在业务r_i上，不用依据矩阵W中的权重值，算法转到步骤5；否则，如果不存在满足条件的已路由业务r_i，算法转到步骤4。

步骤4：判断业务R的矩阵W中是否存在权重值大于零的已路由业务，如果存在，则将R疏导在矩阵W中权重值最大的已路由业务r_k上，当业务r_k的光路环中仅有部分链路能疏导R，则为R的光路环中剩余的链路新建光路；如果矩阵W中的权重值都为零，说明没有已路由业务满足业务R的有效共享路径的条件，则为R新建光路环。

步骤5：从链表Q中删除业务R，并将业务R顺序存入空链表Q_new中，判断链表Q是否为空，如果不为空，算法转到步骤3，否则算法结束。

图4为频谱优先分配策略流程图，如图所示：

步骤1：初始化网络频谱资源。

步骤2：从链表Q_new中取出业务R，为业务R的光路环分配频谱资源。

步骤3：从基于有效共享路径感知的光疏导的光疏导路由信息中获取业务R的优先调度向量W_s，如果该调度向量W_s不为空，算法转到步骤4；如果为空，算法转到步骤5。

步骤4：为调度向量W_s中的每个业务进行频谱分配，并从链表Q_new中删除业务R调度向量W_s中的所有业务。

步骤5：从链表Q_new中删除业务R，更新网络频谱资源，判断链表Q_new是否为空，如果不为空，算法转到步骤2；否则算法结束。

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。

Claims (6)

1.一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，其特征在于：通过距离自适应的预处理机制，根据业务成员节点的分布特点和物理链路的权重值，为业务计算一个由若干光路串联而成的链路代价最小且占用子载波数目最少的光路环，并依据业务的定义值对业务进行降序排列；基于有效共享路径感知的光疏导路由机制，通过构造一个面向光疏导的业务决策矩阵，将业务疏导到与当前业务具有有效共享路径最多的已路由业务所在光路环上，在频谱分配阶段，基于频谱优先分配机制，通过构造一个优先调度向量，为疏导在一个光通道中的业务优先分配所需的频谱资源。

2.根据权利要求1所述的一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，其特征在于：在计算光路环时，当计算完一对成员节点间的最短路径后，就将该最短路径的起点和该最短路径经过的中间节点都从临时拓扑子图中删除；然后，判断该最短路径是否经过了业务的其他成员节点，如果有成员节点在该最短路径上，则从业务的临时成员节点集合中删除该成员节点，如果没有成员节点在该最短路径上，则继续采用最短路径算法计算下一对成员节点的最短路径，直至计算完所有成员节点对；将计算出的经过了业务的所有成员节点所有最短路径串联起来后，从中查找出在串联的最短路径中节点连接度数为1的两个成员节点n₁和n₂，并从临时的拓扑子图中删除这些最短路径经过的除节点n₁和n₂以外的所有节点。然后，在该临时的拓扑子图上，采用最短路径算法计算一条连接节点n₁和n₂的最短路径。

3.根据权利要求1所述的一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，其特征在于：所述的距离自适应的预处理机制，具体包括：要实现对多点到多点组播业务的排序，需要确定业务的大小，影响业务大小的因素主要有光路环的物理跳数hop、业务在每条链路上传输的总带宽以及业务可使用的最高调制等级M；根据计算出的光路环的传输路径可统计出物理跳数hop；根据公式：(|D|-1)×b可计算出业务在每条链路上传输的总带宽；在确定业务可使用的最高调制等级时，需要依据距离自适应准则，即当节点间最短路径的权重值发生变化后，该机制可重新判断变化后的权重值和不同调制等级下光信号的极限传输距离之间的大小关系，得到新的最高调制等级；最后，根据定义式：[(|D|-1)×b/(M×C_slot)]×hop计算得到业务的大小，并依据该定义式的值对业务进行降序排列。

4.根据权利要求1所述的一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，其特征在于：所述的基于有效共享路径感知的光疏导路由机制，具体包括：若当前业务的成员节点包含于已路由业务成员节点集合，则可将当前业务疏导在已路由业务上；否则依据为当前业务构造的面向光疏导的决策矩阵，查找出与当前业务的光路环之间具有有效共享链路跳数最多的已路由业务，将当前业务疏导在该已路由业务上。

5.根据权利要求4所述的一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，其特征在于：在基于有效共享路径感知的光疏导路由机制中，光路环间有效共享链路是指共享链路的两个端节点至少有一个是业务的成员节点的链路；如果共享链路的两个端节点均不是成员节点，而只是光路环的中间节点，则为无效共享链路；有一条以上的无效共享链路的两个光路环之间不能进行光疏导。

6.根据权利要求1所述的一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，其特征在于：所述的频谱优先分配机制，具体包括：为每个业务构建一个优先调度向量，该调度向量的元素值为将要疏导在当前业务上的业务序号，在为当前业务分配频谱时，根据当前业务的优先调度向量，为将疏导在当前业务上的业务优先分配频谱资源。