CN111182379B - 弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，对于一个可塑预留型连接请求，计算其被允许使用的频块尺寸类型；然后针对每种类型的频块尺寸，在其所在路径的允许时间范围内查找所有可用频块集合，所有尺寸类型可用频块的并集为连接请求的可用频块集合；计算每个可用频块的度量向量，度量向量由消耗资源数、影响资源数和到角落距离这三个分量组成；按照字典序比较各个可用频块的度量向量，并选择度量向量最小的可用频块分配给连接请求。本发明在为可塑预留型连接请求分配资源时，充分考虑了其所消耗的资源数量以及所分配频谱对网络剩余资源的影响，可以提高网络频谱资源的利用率、降低可塑预留型连接请求的阻塞率。

Description

弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法

技术领域

本发明涉及光通信网络的技术领域，尤其涉及一种弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法。

背景技术

弹性光网络是一种新型的核心网技术，它可以根据用户的带宽需求，灵活地为每一个连接请求分配频谱资源；在弹性光网络中，频谱资源通常被划分为频带宽度较小的频隙(比如每个频隙的宽度为12.5GHz或6.25GHz)，根据用户的带宽需求，可以为用户分配相邻的多个频隙。故此，弹性光网络可以大幅度提高频谱资源的利用率，降低用户连接请求的阻塞率。

随着移动互联网、云计算、边缘计算等技术的快速发展，网络应用类型也在发生着变化，在网络节点之间传送大容量数据的场景越来越多，比如，云数据中心之间的数据备份、云数据中心向边缘数据中心的数据分发等。大容量数据的传输具有以下几个特点：(1)大容量数据每次需要传送的数据总量可以提前获知；(2)大容量数据一般会给定完成传输的最后期限；(3)大容量数据传输所需要的带宽可以灵活选择。大容量数据的连接请求又被称为可塑预留型(Malleable Reservation，MR)连接请求，即可以根据需要传输的数据量和网络频谱资源的空闲情况，将连接请求所使用的频块塑造成不同的尺寸。

在为可塑预留型型连接请求(或简称MR请求)分配频谱资源时，频谱资源在频率上被划分为多个频隙之后，在时间上还会被划分为等长的时隙，即频谱资源被划分为大小相等的频谱单元(简称频元)，每个频元能够传输的数据量是固定的。一个MR请求的数据量是确定的，故其需要的频元个数是确定的，但可以根据需要而塑造为不同形状的矩形频块。比如，一个需要12个频元的MR请求，既可以使用2频隙×6时隙的频块，又可以使用3频隙×4时隙的频块，还可以使用4频隙×3时隙的频块。不同的频块选择方式，会对网络频谱资源的利用率产生很大的影响，进而会影响到MR请求的阻塞率。如果合理地为每个MR请求分配合适的频块，是关系到网络性能的问题。

发明内容

针对在弹性光网络中传输大容量数据时所需要的频谱资源具有可塑性，不同频块的选择会影响可塑预留型请求阻塞率的技术问题，本发明提出一种弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，在为每个连接请求分配频谱资源时，尽量消耗较少的频谱资源，并尽量减少所使用频谱资源对剩余空闲资源的影响，从而提高频谱资源的利用率，降低连接请求的阻塞率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，其步骤如下：

步骤一：对于一个可塑预留型的连接请求r＝(s,d,N_cell,t_arrival,t_deadline)，s和d为连接请求r的源节点和目的节点、即连接请求r所在的路径为P_sd；N_cell为连接请求r需要的频元个数，t_arrival为连接请求r的到达时间；t_deadline为连接请求r的最晚完成时间；

步骤二：弹性光网络中允许每个连接请求使用的最大频隙数为Δf_max、最小频隙数为Δf_min，相邻连接请求间的保护频隙个数为Δf_guard，计算连接请求r允许使用的所有频块尺寸，记频块尺寸集合为S_allowed＝{Δf₁×Δt₁,Δf₂×Δt₂,...,Δf_K×Δt_K}，其中，Δf₁×Δt₁、Δf₂×Δt₂、...、Δf_K×Δt_K分别表示连接请求r的K个允许使用的频块尺寸；Δf₁、Δf₂、…、Δf_K分别表示K个允许使用的频块的频隙个数，Δt₁、Δt₂、...、Δt_K分别表示K个允许使用的频块的时隙个数；

步骤三：对于第k种频块尺寸Δf_k×Δt_k，检查路径P_sd上从到达时间t_arrival到最晚完成时间t_deadline范围内所有对应频块尺寸的可用性，记该频块尺寸的可用频块集合为B_k，则连接请求r在路径P_sd上的所有可用频块集合为

其中，k＝1,2,...,K；

步骤四：如果可用频块集合B_available为空集，则连接请求r被阻塞；

步骤五：如果可用频块集合B_available不为空集，对于可用频块集合B_available中每个可用频块，计算其度量向量V＝(R_used,R_affected,D_corner)；其中，R_used为频块所消耗的频元个数，R_affected为频块所影响的频元个数，D_corner为频块到角落的距离；

步骤六：按照字典序对可用频块集合B_available中的可用频块进行比较，选取度量向量最小的那个可用频块分配给连接请求r。

所述步骤一中的频元是指由频隙和时隙所确定的频谱单元，每个频元可以传送的数据量是确定的，连接请求的数据量可用需要的频元个数来表示。

所述步骤二中计算允许使用的所有频块尺寸时，令频隙个数Δf从最大频隙数Δf_max到最小频隙数Δf_min变化，计算对应的时隙个数

其中，

表示对一个实数取上整数，所得到的Δf×Δt即为一种允许使用的频块尺寸；对允许使用的频块尺寸按照频隙个数由小到大进行编号，允许使用的频块尺寸总数为K＝Δf_max-Δf_min+1。

所述路径P_sd上一个频块的可用性是由组成它的各个频元的状态决定的，路径P_sd上每个频元的状态由路径P_sd的各条链路上对应频元的状态决定的；路径上每个频元的状态用对应频元在各条链路上空闲次数来表示：若空闲次数等于路径的跳数，则该频元空闲；若空闲次数小于路径的跳数，则该频元繁忙。

对于一个尺寸为Δf×Δt的频块来说，只有当组成它的所有频元在路径上都是空闲时，该频块才是可用的；可用频块集合B_k中的可用频块为b＝(f_start,f_end,t_start,t_end)，其中，f_start和f_end分别表示频块的开始频隙和结束频隙，t_start和t_end分别表示频块的开始时隙和结束时隙。

所述步骤五中频块所消耗的频元个数R_used＝(f_end-f_start+1)·(t_end-t_start+1)·h_Psd，其中，h_Psd为路径P_sd所包含的链路条数；频块所影响的频元个数R_affected＝R_horizontal+R_vertical，其中，水平频元个数

竖直频元个数

n_f,t表示第f个频隙和第t个时隙所确定的频元在路径P_sd的各条链路上空闲的次数；频块到角落的距离

其中，N_F为频谱被划分成的频隙总数。

所述步骤六中字典序比较两个可用频块的度量向量时，先比较二者的频块所消耗的频元个数R_used，频块所消耗的频元个数R_used较小者被优先选取；若二者的频块所消耗的频元个数R_used相等，则比较频块所影响的频元个数R_affected，频块所影响的频元个数R_affected较小者被优先选取；若频块所影响的频元个数R_affected也相等，则进一步比较频块到角落的距离D_corner，频块到角落的距离D_corner较小者被优先选取；若频块到角落的距离D_corner依然相等，则排在前面的频块被优先选取。

本发明的有益效果：对于一个可塑预留型连接请求，首先计算其被允许使用的频块尺寸类型；然后针对每种类型的频块尺寸，在其所在路径的允许时间范围内查找所有该尺寸的可用频块集合，所有尺寸类型可用频块的并集即为可塑预留型连接请求的可用频块集合；接下来计算每个可用频块的度量向量，度量向量由消耗资源数、影响资源数和到角落距离这三个分量组成，提高了频谱资源的利用率；最后按照字典序比较各个可用频块的度量向量，并选择度量向量最小的可用频块分配给该连接请求。本发明在为可塑预留型连接请求分配资源时，充分考虑了其所消耗的资源数量以及所分配频谱对网络剩余资源的影响，可以提高网络频谱资源的利用率、降低可塑预留型连接请求的阻塞率。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明计算可塑预留型连接请求可以使用的频块尺寸类型示例图。

图3为本发明中表示路径上频元状态方法的示例图。

图4为本发明中所定义的可用频块度量向量的计算方法示例图。

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付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。

如图1所示，一种弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，其步骤为：

步骤一：对于一个可塑预留型的连接请求r＝(s,d,N_cell,t_arrival,t_deadline)，s和d为连接请求r的源节点和目的节点、即连接请求r所在的路径为P_sd；N_cell为连接请求r需要的频元个数，t_arrival为连接请求r的到达时间、即连接请求的数据从这个时隙开始才能传输；t_deadline为连接请求r的最晚完成时间、即连接请求r的数据必须在该时隙结束前完成传输。

此处的频元是指由给定频谱宽度(即频隙)和给定时间长度(即时隙)所确定的频谱单元，每个频元可以传送的数据量是确定的，故此连接请求的数据量可以用需要的频元数量来表示。

步骤二：记弹性光网络允许每个连接请求使用的最大频隙数为Δf_max、最小频隙数为Δf_min，相邻连接间的保护频隙个数为Δf_guard，计算连接请求r能够使用的所有频块尺寸，记频块尺寸集合为S_allowed＝{Δf₁×Δt₁,Δf₂×Δt₂,...,Δf_K×Δt_K}，其中，Δf₁×Δt₁、Δf₂×Δt₂、...、Δf_K×Δt_K分别表示K个允许使用的频块尺寸。

在计算允许使用的频块尺寸时，令频隙个数Δf从最大频隙数Δf_max到最小频隙数Δf_min变化，计算对应的时隙个数

其中，

表示对一个实数取上整数，所得到的Δf×Δt即为一种允许使用的频块尺寸；对允许使用的频块尺寸按照频隙个数由小到大进行编号，允许使用的频块尺寸总数为K＝Δf_max-Δf_min+1。

如图2所示，假如一个可塑预留型连接请求需要11个频元来传输数据，网络允许每个连接使用的最大频隙数为6、最小频隙数为3、相邻连接间的保护频隙数为1，则该可塑预留型连接请求被允许使用的频块尺寸类型可以使用下面方法来计算。频隙个数Δf的允许取值为3、4、5、6，从而可以求出对应的时隙个数Δt分别为

故此允许该连接请求使用的频块尺寸类型有3×6、4×4、5×3、6×3四种。在计算过程中之所以对时隙个数取上整数，是因为每个连接请求必须从一个时隙的开始处使用频谱资源，一个时隙即使只被本连接请求使用了一部分，它也不能被下一个连接请求使用。

步骤三：对于第k种频块尺寸Δf_k×Δt_k，检查路径P_sd上从到达时间t_arrival到最晚完成时间t_deadline范围内所有对应频块尺寸的可用性，记该频块尺寸的可用频块集合为B_k，则连接请求r在路径P_sd上的所有可用频块集合为

其中，k＝1,2,...,K。

路径P_sd上一个频块的可用性是由组成它的各个频元的状态决定的，而路径P_sd上每个频元的状态则是由路径P_sd的各条链路上对应频元的状态决定的。如图3所示，假如路径P由三条链路组成(即路径跳数为3)，每条链路上各个频元的状态如图3中的前3个图，其中白色填充表示对应频元在链路上空闲，灰色填充表示对应频元在链路上繁忙。路径上每个频元的状态用对应频元在各条链路上空闲次数来表示：若空闲次数等于路径的跳数，则该频元空闲；若空闲次数小于路径的跳数，则该频元繁忙。图3中路径P包含三条链路，故此在路径P上只有状态为3的频元才是空闲的。

对于一个尺寸为Δf×Δt的频块来说，只有当组成它的所有频元在路径上都是空闲时，该频块才是可用的。将一个可用频块记为b＝(f_start,f_end,t_start,t_end)，f_start和f_end分别表示频块的开始频隙和结束频隙，t_start和t_end分别表示频块的开始时隙和结束时隙。可用频块集合B_k中的可用频块为b。

步骤四：如果可用频块集合B_available为空集，则连接请求r被阻塞。

步骤五：如果可用频块集合B_available不为空集，对于可用频块集合B_available中每个可用频块b＝(f_start,f_end,t_start,t_end)，计算其度量向量V＝(R_used,R_affected,D_corner)。其中，R_used为频块所消耗的频元个数，R_affected为频块所影响的频元个数，D_corner为频块到角落的距离；频块所消耗的频元个数

，其中，

为路径P_sd所包含的链路条数；频块所影响的频元个数R_affected＝R_horizontal+R_vertical，其中，水平频元个数

竖直频元个数

n_f,t表示第f个频隙和第t个时隙所确定的频元在路径P_sd的各条链路上空闲的次数；频块到角落的距离

其中，N_F为频谱被划分成的频隙总数。

图4是一个计算可用频块度量向量的示例，假设其中路径的跳数为3，图中标出了两个可用频块B₁和B₂。

(1)频块所消耗的频元个数：B₁的尺寸为4×4、B₂的尺寸为3×6，路径的跳数为3，故此它们所消耗的频元个数分别为4×4×3＝48和3×6×3＝54。

(2)频块所影响的频元个数：它们所影响的频元个数等于它们各自周围频元状态之和，图4中标出了可用频块B₁和可用频块B₂周围频元的状态，经计算可以得出，可用频块B₁影响的频元个数为50、B₂影响的频元个数为44。

(3)频块到角落的距离：可用频块B₁到左上角的距离较小，而可用频块B₂到左下角的距离较小，故

由上述计算可以得知，两个可用频块B₁和B₂的度量向量分别为：V(B₁)＝(48,50,4.12)和V(B₂)＝(54,44,3.16)。

步骤六：按照字典序对可用频块集合B_available中的可用频块进行比较，选取度量向量最小的那个频块分配给连接请求r。

在使用字典序比较两个可用频块的度量向量时，先比较二者的频块所消耗的频元个数R_used，频块所消耗的频元个数R_used较小者被优先选取；若二者的频块所消耗的频元个数R_used相等，则进一步比较频块所影响的频元个数R_affected，频块所影响的频元个数R_affected较小者被优先选取；若频块所影响的频元个数R_affected也相等，则进一步比较频块到角落的距离D_corner，频块到角落的距离D_corner较小者被优先选取；若频块到角落的距离D_corner依然相等，则排在前面的频块被优先选取。如图4中两个频块，由于可用频块B₁消耗的频元数量较小，故此可用频块B₁比可用频块B₂被优先选取，无需再比较剩下两个分量。

本发明在为可塑预留型连接请求分配频谱资源时，计算其被允许使用的频块尺寸类型，然后查找其所在路径上允许时间范围内、所有允许尺寸的所有可用频块；为每个可用频块定义一个度量向量，该向量由频块使用的资源数量、频块影响的资源数量及频块到角落距离三个分量组成，提高了频谱资源的利用率；在选择频块时，依照字典序选择度量向量较小的那个频块分配给连接请求。因而，本发明在为每个可塑预留型连接请求分配频谱资源时，充分考虑所选择频块所占用的频元数量以及频块对周围空闲频元的影响，从而达到降低可塑预留型连接请求阻塞率的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一：对于一个可塑预留型的连接请求r＝(s,d,N_cell,t_arrival,t_deadline)，s和d为连接请求r的源节点和目的节点、即连接请求r所在的路径为P_sd；N_cell为连接请求r需要的频元个数，t_arrival为连接请求r的到达时间；t_deadline为连接请求r的最晚完成时间；

步骤二：弹性光网络中允许每个连接请求使用的最大频隙数为Δf_max、最小频隙数为Δf_min，相邻连接请求间的保护频隙个数为Δf_guard，计算连接请求r允许使用的所有频块尺寸，记频块尺寸集合为S_allowed＝{Δf₁×Δt₁,Δf₂×Δt₂,...,Δf_K×Δt_K}，其中，Δf₁×Δt₁、Δf₂×Δt₂、...、Δf_K×Δt_K分别表示连接请求r的K个允许使用的频块尺寸；Δf₁、Δf₂、...、Δf_K分别表示K个允许使用的频块的频隙个数，Δt₁、Δt₂、...、Δt_K分别表示K个允许使用的频块的时隙个数；

步骤三：对于第k种频块尺寸Δf_k×Δt_k，检查路径P_sd上从到达时间t_arrival到最晚完成时间t_deadline范围内所有对应频块尺寸的可用性，记该频块尺寸的可用频块集合为B_k，则连接请求r在路径P_sd上的所有可用频块集合为

其中，k＝1,2,...,K；

步骤四：如果可用频块集合B_available为空集，则连接请求r被阻塞；

步骤五：如果可用频块集合B_available不为空集，对于可用频块集合B_available中每个可用频块，计算其度量向量V＝(R_used,R_affected,D_corner)；其中，R_used为频块所消耗的频元个数，R_affected为频块所影响的频元个数，D_corner为频块到角落的距离；

步骤六：按照字典序对可用频块集合B_available中的可用频块进行比较，选取度量向量最小的那个可用频块分配给连接请求r。

2.根据权利要求1所述的弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤一中的频元是指由频隙和时隙所确定的频谱单元，每个频元可以传送的数据量是确定的，连接请求的数据量可用需要的频元个数来表示。

3.根据权利要求1或2所述的弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤二中计算允许使用的所有频块尺寸时，令频隙个数Δf从最大频隙数Δf_max到最小频隙数Δf_min变化，计算对应的时隙个数

其中，

表示对一个实数取上整数，所得到的Δf×Δt即为一种允许使用的频块尺寸；对允许使用的频块尺寸按照频隙个数由小到大进行编号，允许使用的频块尺寸总数为K＝Δf_max-Δf_min+1。

4.根据权利要求3所述的弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，其特征在于，所述路径P_sd上一个频块的可用性是由组成它的各个频元的状态决定的，路径P_sd上每个频元的状态由路径P_sd的各条链路上对应频元的状态决定的；路径上每个频元的状态用对应频元在各条链路上空闲次数来表示：若空闲次数等于路径的跳数，则该频元空闲；若空闲次数小于路径的跳数，则该频元繁忙。

5.根据权利要求1或4所述的弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，其特征在于，对于一个尺寸为Δf×Δt的频块来说，只有当组成它的所有频元在路径上都是空闲时，该频块才是可用的；可用频块集合B_k中的可用频块为b＝(f_start,f_end,t_start,t_end)，其中，f_start和f_end分别表示频块的开始频隙和结束频隙，t_start和t_end分别表示频块的开始时隙和结束时隙。

6.根据权利要求5所述的弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤五中频块所消耗的频元个数

其中，

为路径P_sd所包含的链路条数；频块所影响的频元个数R_affected＝R_horizontal+R_vertical，其中，水平频元个数

竖直频元个数

n_f,t表示第f个频隙和第t个时隙所确定的频元在路径P_sd的各条链路上空闲的次数；频块到角落的距离

其中，N_F为频谱被划分成的频隙总数。

7.根据权利要求6所述的弹性光网络中可塑预留业务的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤六中字典序比较两个可用频块的度量向量时，先比较二者的频块所消耗的频元个数R_used，频块所消耗的频元个数R_used较小者被优先选取；若二者的频块所消耗的频元个数R_used相等，则比较频块所影响的频元个数R_affected，频块所影响的频元个数R_affected较小者被优先选取；若频块所影响的频元个数R_affected也相等，则进一步比较频块到角落的距离D_corner，频块到角落的距离D_corner较小者被优先选取；若频块到角落的距离D_corner依然相等，则排在前面的频块被优先选取。

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