CN104796215A - 一种用于提高光网络传输效率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高光网络传输效率的方法和装置。该方法通过光通道的光传输距离确定光通道的信号传输频谱效率。进而，确定不同调制格式在帧结构中的占有率，从而建立基于时域混合调制技术的传输帧，对光通道进行调制。与现有技术采用离散化调制格式的调制方法相比，本发明根据每条光通道的传输距离，调整光信道的频谱效率，提高了每条光通道线速率，因而从整体上提高了光网络传输效率。

Description

一种用于提高光网络传输效率的方法和装置

技术领域

本发明涉及信号传输领域，更具体的说是涉及一种用于提高光网络传输效率的方法和装置。

背景技术

随着互联网流量的指数增长，光网络的动态性、灵活性及频谱高效性进一步增强。

当前在对光网络传输信号进行调制时，在保证某一可接受的数据误码率(BER)的前提下，由于每种调制格式都存在一个最大的无中继传输距离，传统的离散化调制技术对于物理距离在两种调制格式之间的光通道通常采用较低端的调制格式以保证信息传输的可靠性，但势必会降低信息传输的有效性。例如，假设对于单一的QPSK和16QAM调制格式，其最大无中继光学传输距离分别为5118公里和850公里。对于一条长度为3000km的光通道，传统的离散化调制格式选择方式只能选择QPSK传输帧(其BS＝2bit/符号)来调制该光通道，即便单一的QPSK调制格式可支持5118km的光传输范围。但是，这种简单的离散化调制格式选择必然会导致频谱带宽的很大浪费，使光网络传输效率降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于提高光网络传输效率的方法和装置，该方法基于时域混合调制技术对光网络进行调整，提高了光网络传输效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于提高光网络传输效率的方法，包括：

获取光通道的光传输距离；

根据所述光传输距离与光通道信号传输频谱效率的预设关系，确定光通道的信号传输频谱效率；

根据不同信号调制格式的频谱效率和所述光通道的信号传输频谱效率，确定不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，所述光传输帧至少包括两种信号调制格式；

利用不同信号调制格式在光传输帧中占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制。

优选的，所述根据不同信号调制格式的频谱效率和所述光通道信号传输频谱效率，确定不同信号调制格式在光传输帧中占有的概率，包括：

获取不同信号调制格式的频谱效率；

根据计算公式BS＝∑_i∈Qp_i·BS_i，计算不同信号调制格式在帧结构中所占有率；

其中，pi是对应于特定调制格式在一帧中的概率，BSi是该种调制格式的频谱效率，Q为一个帧中所包含的所有调制格式集合。

优选的，所述利用不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制，之后还包括：

构建整数线性规划模型，对调制后的光通道进行评估。

优选的，所述利用不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制，之后还包括：

利用波平面的启发式算法，对调制后的光通道进行评估。

一种用于提高光网络传输效率的装置，包括：

信息采集单元，用于获取光通道的光传输距离；

频谱效率确定单元，用于根据所述光传输距离与光通道信号传输频谱效率的预设关系，确定光通道信号传输频谱效率；

占有率确定单元，用于根据不同信号调制格式的频谱效率和所述光通道信号传输频谱效率，确定不同信号调制格式在光传输帧中占有率，所述光传输帧至少包括两种调制格式；

调制单元，用于利用不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制。

优选的，所述占有率确定单元包括：

信息采集子单元，获取不同信号调制格式的频谱效率；

计算子单元，用于根据计算公式BS＝∑_i∈Qp_i·BS_i，计算不同信号调制格式在光传输帧中的占有率；

其中，p_i是对应于特定调制格式在一帧中的概率，BS_i是该种调制格式的频谱效率，Q为一个帧中所包含的所有调制格式集合。

优选的，所述装置还包括：评估单元，用于对调制后的光通道进行评估。

优选的，所述评估单元，用于构建整数线性规划模型，对调制后的光通道进行评估。

优选的，所述评估单元，用于利用波平面的启发式算法，对调制后的光通道进行评估。经由上述的技术方案可知，本发明公开了一种用于提高光网络传输效率的方法和装置。该方法通过光通道的光传输距离确定光通道的信号传输频谱效率。进而，确定不同调整格式在帧结构中的占有率，从而建立基于时域混合调制技术的传输帧，对光通道进行调制。与现有技术采用离散化调制格式的调制方法相比，本发明根据每条光通道的传输距离，调整光信道的频谱效率，提高了每条光通道线速率，因而从整体上提高了光网络传输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1示出了本发明一种提高光网络传输效率的方法的一个实施例的流程示意；

图2示出了本发明光传输距离与信号传输频谱的曲线关系图；

图3示出了一个TDHM传输帧；

图4比较了在6节点9链路网络中，不同设计方案下的网络传输传输容量差别；

图5比较了在24节点43链路网络中，不同设计方案下的网络传输容量差别；

图6示出了本发明一种提高光网络传输效率的装置的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1示出了本发明一种用于提高光网络传输效率的方法的一个实施例的流程示意。

由图1可知，该方法包括：

101：获取光通道的光传输距离。

102：根据所述光传输距离与光通道信号传输频谱效率的预设关系，确定光通道信号传输频谱效率。

参见图2示出了本发明光传输距离与信号传输频谱的曲线关系图。

在本实施例中，我们设定网络中的光通道都是基于QPSK&16QAM(p1,p2)的TDHM技术调制，其中，QPSK和16QAM表示不同的调制格式。我们使用实验中获得的曲线(如图2)以查找出某个光传输距离所对应的光通道信号传输频谱效率BS(bit/符号)。注意，我们设置一个衰减系数0.8用以消除实验室状态下理想环境的影响。同时，我们设定对于单一的(无混合)QPSK和16QAM，其最大光学传输距离分别为5118公里和850公里。

103：根据不同信号调制格式的频谱效率和所述光通道的信号传输频谱效率，确定不同信号调制格式在光传输帧中的占有率。

需要说明的是，时域混合调制技术(TDHM)可支持多种在时域内相互交织的调制格式。参见图3示出了一个TDHM传输帧。该帧将QPSK及16QAM按1:1方式配置。一般地，我们可将图3所示的TDHM符号表示为QPSK&16QAM(p₁,p₂)，这里p₁，p₂分别为上述两种调制格式在一个帧中出现的概率。

基于TDHM调制技术的信号的频谱效率BS(即bit/符号)可由(1)式计算得：

BS＝∑_i∈Qp_i·BS_i bit/符号        (1)

这里，p_i是对应于特定调制格式在一帧中的概率，BS_i是该种调制格式的频谱效率，Q为一个帧中所包含的所有调制格式集合。在图3中，对应于QPSK，其BS₁＝2bit/符号，而对于16QAM其BS₂＝4bit/符号。因此，对于一个混合了QPSK和16QAM的TDHM帧，其频谱效率BS可在2bit/符号到4bit/符号之间连续变化。一个使用了TDHM技术调制的光通道的线速率可由(2)式计算得：

LR＝BS*2R bit/秒             (2)

这里R(符号/秒)为信号的波特率，“2”对应于x和y方向上的偏振复用。考虑将TDHM调制技术应用于一个固定的28G符号/秒波特率和50GHz固定频谱间隔的光传输***中，每个光通道的线速率大小仅取决于TDHM信号的频谱效率，进而仅由每种调制格式在光传输帧中的占有率{p_i}的分布决定。

104：利用不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制。

结合图2，传统的离散化自适应速率方案对于光路径长度在850-5180km之间的所有光通道都选择QPSK调制格式，而对于路径长度小于850km的光通道，则采用16QAM的调制格式。例如，如果一条光通道的长度为3000km，传统的离散化调制格式选择方式只能选择QPSK(其BS＝2bit/符号)来调制该光通道，根据公式(2)计算得该光通的线速率为112Gb/s。但是，这种选择方式必然会导致频谱带宽的很大浪费，因为对于单独的QPSK调制来说，其可支持的最大传输距离可达到5118km。相反地，如果我们使用QPSK&16QAM(p₁,p₂)的TDHM技术来调制光通道，由图2知，对应于3000km的光传输距离，我们可以最大获得BS＝2.27bit/符号的频谱效率，其线速率可达到127.12Gb/s。因此，与传统的离散化的调制格式选择方案相比，基于TDHM技术的调制方案可增加约13.5％的传输容量。

需要说明的是，为了评估TDHM技术在提高光网络传输效率方面的优势，本发明还公开了一种基于整数线性规划模型的评估方法和一个基于波平面的启发式算法的评估方法。

1、基于TDHM网络的ILP整数线性优化模型设计。

为了评估TDHM技术的性能，假定每根物理光纤链路上的波长容量是给定的(波长资源有限)，我们的光网络优化设计旨在最大化网络总传输容量或频谱效率。首先，我们假设光路业务矩阵是已知给定的(区别于动态的随机到来业务情况)，考虑WDM中的最基本的静态业务负载下的路由和波长分配(Routing and wavelength assignment-RWA)规划问题，遵循透明光网络的波长连续性限制条件，我们提出了一个解决RWA问题的ILP模型。该ILP模型的集合(Sets)、参数(Parameters)、变量(Variables)以及目标函数(Objectivefunction)，限制条件(Constraints)说明如下：

集合(Sets)：

L	表示网络中所有链路的集合
		D	表示网络中所有节点对的集合
Rd	表示节点对d的光路由集合
		W	表示每根光纤上可承载的波长集合

参数(Parameters)：

变量(Variables)：

目标函数(Objective)：

$\mathrm{Maximize}{\mathrm{\Σ}}_{d\∈D,r\∈R^d}{T}^{d,r}\·S^{d,r}$

目标函数旨在最大化网络的传输容量，该传输容量不仅由成功建立的光通道数目决定，还与每条光通道的线速率大小有关。成功建立的光通道数目越多，每条光通道的线速率越大，网络的传输容量越大。

约束条件(Constraints)：

${\mathrm{\Σ}}_{r\∈R^d}{T}^{d,r}\≤C_d\∀d\∈D---\left(3\right)$

即要求每个节点所完成的业务量小于给定的业务量要求

$T^{d,r}={\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\ω}\∈W}{\mathrm{\φ}}_w^{d,r}\∀d\∈D,r\∈R^d---\left(4\right)$

一个业务量对应使用一个波长资源，最终对于节点d路径r上占

用的波长总数就等于完成的业务量

${\mathrm{\Σ}}_{d\∈D,r\∈R^d}{\mathrm{\ρ}}_{d,r}^i\·{\mathrm{\φ}}_w^{d,r}\≤1\∀\mathrm{\ω}\∈W,\∀i\∈L---\left(5\right)$

即任意一条链路上的任意一个波长只能服务一个业务

2、尽管ILP模型用以为网络求解出最优化设计结果，但是其计算复杂性使得它对小型网络以外的其他网络并不可行，为了有效的解决这个问题，我们提出了一种基于波平面的启发式算法。

步骤1：读入一个网络拓扑图，同时根据每条光纤上承载的波长数目W产生对应的W个平行的波平面。

步骤2：采用Dijksrtra最短路由算法为每个节点对之间基于物理距离找到最短路径R。

步骤3：给定一个业务请求，在所有波平面上使用Dijksrtra算法从中找到一条最短路径P。如果成功找到并且其光路距离小于5118km(即最低调制格式QPSK所支持的最大传输距离)，移至步骤4；反之，业务阻塞。

步骤4：比较由步骤2和步骤3分别获取的路径R是否等于P，如果相等，则计算该光路的线速率并且为该业务分配相应的波长；否则，为该业务在所有波平面中寻找出基于跳数(hops)最少的路由并计算其线速率和分配波长。

步骤5：为所有业务重复执行步骤3-4。

步骤6：统计网络中所有建立的光通道数及总传输容量。

参见图4和图5示出了不同调整方案下的网络传输容量比较图。这里，对于6节点9链路的小型n6s9网络设定每条光纤链路上共有16个波长，而在USNET中设定每条光纤链路上有80个波长。基于TDHM调制技术的QPSK&16QAM(p1,p2)被用来承载数据信号的传输。对于ILP模型，使用K-Shortest算法在每个节点对之间最多找到三条路由作为其备选路由集合，路由集合中的所有路由均要求其小于5118km(即在本实施例中选用的最低调制格式QPSK所支持的最大传输距离)。所示ILP求解结果均基于64位、2.4GHz的CPU和8-G内存的服务器，采用AMPL/Gurobi软件包5.0.0版本。该ILP模型的MIPGAP被设置为0.01％。为了性能比较，我们也考虑了基于简单的固定最短路由选择与首次命中(first-fit)的波长分配方案。同时，我们也比较了传统的离散化速率自适应策略在不同方案中的性能表现。所有仿真测试均基于固定28G符号/秒波特率和50GHz固定频谱间隔的光传输***。

图4和图5比较了不同设计方案下的网络传输容量差别。仿真结果表明，与传统的离散化调制格式选择策略相比较(例如在本例中只考虑纯的QPSK和16QAM调制格式)，基于TDHM技术的方案可显著提高网络的传输容量，最高可达40％。这种差别是显然易见的因为TDHM技术在调节光通道的频谱效率与传输距离方面具有更大的灵活度。与此同时，我们所提出的ILP线性优化模型与基于波平面的启发式算法的性能均优于简单的基于最短路径的路由选择与first-fit波长分配方案。这是因为后者总是尝试使用最短路径来为每个业务请求建立光通道，势必会增加某些链路上波长资源使用过于频繁，导致阻塞率的极大增加；而我们的ILP模型以及波平面算法却能为每个请求考虑多条可用备选路由，当最短路由上的波长资源匮乏时，我们可以从路由集合中选择一条距离较长的路径来尝试建立光通道，该方法可有效降低光通道的阻塞率。最后，仿真结果也表明我们提出的基于波平面的启发式算法结果与ILP模型的最优化结果十分相近，从另一方面验证了算法的高效性。

参见图6示出了本发明一种提高光网络传输效率的装置的一个实施例的结构示意图。

由图6可知，该装置包括：

信息采集单元1，用于获取光通道的光传输距离。

频谱效率确定单元2，用于根据所述光传输距离与光通道信号传输频谱效率的预设关系，确定光通道信号传输频谱效率。

占有率确定单元3，用于根据不同信号调制格式的频谱效率和所述光通道的信号传输频谱效率，确定不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，该光传输帧至少包括两中调制格式。

可选的，占有率确定单元中的信息采集子单元获取不同信号调制格式的频谱效率。进而计算子单元根据计算公式BS＝∑_i∈Qp_i·BS_i，计算不同信号调制格式在光传输帧中的占有率。

其中，p_i是对应于特定调制格式在一帧中的概率，BS_i是该种调制格式的频谱效率，Q为一个帧中所包含的所有调制格式集合。

调制单元4，用于利用不同信号调制格式在帧结构中占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制。

可选的，在本发明的其他实施例中，该装置还可包括评估单元用于构建整数线性规划模型，对调制后的光通道进行评估或利用波平面的启发式算法，对调制后的光通道进行评估。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种用于提高光网络传输效率的方法，其特征在于，包括：

获取光通道的光传输距离；

根据所述光传输距离与光通道信号传输频谱效率的预设关系，确定光通道的信号传输频谱效率；

根据不同信号调制格式的频谱效率和所述光通道的信号传输频谱效率，确定不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，所述光传输帧至少包括两种信号调制格式；

利用不同信号调制格式在光传输帧中占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据不同信号调制格式的频谱效率和所述光通道信号传输频谱效率，确定不同信号调制格式在光传输帧中占有的概率，包括：

获取不同信号调制格式的频谱效率；

根据计算公式BS＝∑_i∈Qp_i·BS_i，计算不同信号调制格式在帧结构中所占有率；

其中，p_i是对应于特定调制格式在一帧中的概率，BS_i是该种调制格式的频谱效率，Q为一个帧中所包含的所有调制格式集合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制，之后还包括：

构建整数线性规划模型，对调制后的光通道进行评估。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制，之后还包括：

利用波平面的启发式算法，对调制后的光通道进行评估。

5.一种用于提高光网络传输效率的装置，其特征在于，包括：

信息采集单元，用于获取光通道的光传输距离；

频谱效率确定单元，用于根据所述光传输距离与光通道信号传输频谱效率的预设关系，确定光通道信号传输频谱效率；

占有率确定单元，用于根据不同信号调制格式的频谱效率和所述光通道信号传输频谱效率，确定不同信号调制格式在光传输帧中占有率，所述光传输帧至少包括两种调制格式；

调制单元，用于利用不同信号调制格式在光传输帧中的占有率，建立时域混合调制传输帧，对光通道进行调制。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述占有率确定单元包括：

信息采集子单元，获取不同信号调制格式的频谱效率；

计算子单元，用于根据计算公式BS＝∑_i∈Qp_i·BS_i，计算不同信号调制格式在光传输帧中的占有率；

其中，p_i是对应于特定调制格式在一帧中的概率，BS_i是该种调制格式的频谱效率，Q为一个帧中所包含的所有调制格式集合。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：评估单元，用于对调制后的光通道进行评估。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述评估单元，用于构建整数线性规划模型，对调制后的光通道进行评估。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述评估单元，用于利用波平面的启发式算法，对调制后的光通道进行评估。