基于頻譜連續(xù)度的多維光網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化技術(shù)研究＊

胡李亞洲，王曉軍，洪 曄，馬銳軍，歐陽(yáng)劍

（廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣東 廣州 510665）

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)日益發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求以每年10%的速度迅速增長(zhǎng)，光傳輸網(wǎng)正朝著大容量、IP化方向迅猛發(fā)展。一般而言，光纖鏈路擴(kuò)容技術(shù)依附不同維度的多路復(fù)用技術(shù)，如波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術(shù)、正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)、時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）技術(shù)等[1]。傳統(tǒng)的波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化良好，已廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的主干網(wǎng)和接入網(wǎng)中，它以固定大小的波長(zhǎng)作為最小顆粒度進(jìn)行業(yè)務(wù)帶寬分配，但是這種方式難以適應(yīng)不同顆粒度的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，導(dǎo)致資源利用率偏低。為提高資源分配靈活性，減少資源的過(guò)度浪費(fèi)，一種基于OFDM技術(shù)的彈性光網(wǎng)絡(luò)（Elastic Optical Networks，EONs）應(yīng)運(yùn)而生。EONs具備可變顆粒度分配能力，以頻譜隙（Frequency Slot，F(xiàn)S）作為最小顆粒度資源，支持超波長(zhǎng)傳輸，能夠按需配置適合的調(diào)制格式與頻譜柵格，從而減少了帶寬資源的浪費(fèi)，提高了資源利用率。運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量正在以高增長(zhǎng)率趨勢(shì)增長(zhǎng)，導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)容量問(wèn)題逐漸凸顯，基于單芯光纖和單模光纖的傳輸容量幾乎達(dá)到物理極限，空分復(fù)用彈性光網(wǎng)絡(luò)（Space Division Multiplexing-Elastic Optical Networks，SDM-EONs）應(yīng)運(yùn)而生。其中，SDM技術(shù)可以通過(guò)多芯光纖（MCF）、少模光纖（FMF）等傳輸媒介實(shí)現(xiàn)[2]，其中多芯光纖彈性光網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，本文主要探討多芯光纖彈性光網(wǎng)絡(luò)中的資源優(yōu)化問(wèn)題。

1 多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)特征概述

1.1 多芯光纖結(jié)構(gòu)

多芯光纖由不同數(shù)量的纖芯組成，每個(gè)纖芯中的頻譜隙是多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)絡(luò)資源。頻譜隙作為基本的網(wǎng)絡(luò)帶寬單元，需要遵循頻譜連續(xù)性約束、頻譜一致性約束等資源分配規(guī)則。端到端業(yè)務(wù)在光路上必須占用不同纖芯上相同頻譜隙編號(hào)的位置進(jìn)行信息傳輸，纖芯編號(hào)可自由選擇和切換；端到端業(yè)務(wù)由同一纖芯的頻譜隙資源來(lái)承載時(shí)，必須遵循頻譜隙編號(hào)始終保持連續(xù)的原則，不可跳隙分配資源。光纖纖芯應(yīng)采用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）信道調(diào)制技術(shù)，可以有效對(duì)抗信號(hào)波形之間的干擾，保證帶寬傳輸效率，確?？煽康男盘?hào)傳輸。光纖收發(fā)器資源由收發(fā)器資源池組成，可以根據(jù)流量需求提供匹配的子收發(fā)器，進(jìn)行信號(hào)的有效傳輸。

在光纖交換結(jié)構(gòu)中，光纖交換、纖芯交換和頻譜交換等資源交換的功能都可以實(shí)現(xiàn)，并且支持添加、刪除和切換不同的靈活信道，其資源粒度可以到達(dá)波長(zhǎng)層面。纖芯間頻譜資源交換結(jié)構(gòu)如圖1所示，在光纖交換結(jié)構(gòu)中不同頻譜隙可以在不同的纖芯之間進(jìn)行切換，但在此過(guò)程中端到端業(yè)務(wù)必須遵循頻譜連續(xù)性約束，這意味著信號(hào)可以在保持相同頻譜段編號(hào)的情況下在纖芯間自由切換。

圖1 纖芯間頻譜資源交換結(jié)構(gòu)

1.2 物理串?dāng)_約束

多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)在資源分配過(guò)程需要考慮多方面約束限制，其中一個(gè)是特有的物理約束，稱(chēng)為芯間串?dāng)_。在光纖中耦合了多條纖芯，以此擴(kuò)充傳輸容量，但在信號(hào)傳輸過(guò)程中可能會(huì)受到相鄰纖芯信號(hào)的干擾，從而嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量，導(dǎo)致長(zhǎng)距離高保質(zhì)傳輸難以與高容量?jī)?yōu)勢(shì)并存，這一問(wèn)題引起了研究學(xué)者的密切關(guān)注與研究，如何使緊密的纖芯排列與微弱的相鄰纖芯間串?dāng)_相互融合，有研究學(xué)者提出了一種溝槽型多芯光纖結(jié)構(gòu)[3]，如圖2所示的7芯光纖結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)光纖中部放置1個(gè)纖芯，其余6個(gè)纖芯按照順時(shí)針?lè)较蚪M合，中心纖芯承載著最嚴(yán)重的串?dāng)_；文獻(xiàn)[4]提出了一種基于耦合源理論下的纖芯間串?dāng)_計(jì)算公式，對(duì)纖芯間串?dāng)_進(jìn)行量化評(píng)估。

圖2 7芯光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 面臨問(wèn)題與挑戰(zhàn)

將多芯光纖技術(shù)引入彈性光網(wǎng)絡(luò)中，雖然網(wǎng)絡(luò)傳輸容量得到了擴(kuò)展，但也給光網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，一方面是頻域與空域資源路由分配問(wèn)題，另一方面是頻域與空域資源碎片化問(wèn)題。將多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)引入空間維度，在資源分配過(guò)程中要考慮3種因素，即路由、纖芯與頻譜，稱(chēng)之為路由、纖芯與頻譜分配算法（Routing、Spectrum and Core、RSCA）。需要考慮的特征約束如下：頻譜一致性約束，端到端服務(wù)必須沿著光路徑使用相同的頻譜隙資源；頻譜連續(xù)性約束，端到端服務(wù)在同一纖芯內(nèi)承載的頻譜隙在頻域中嚴(yán)格連續(xù)；物理纖芯間串?dāng)_約束，相鄰纖芯間傳輸信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干擾。

在多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)中，不同業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)地到達(dá)和離去，網(wǎng)絡(luò)中不斷地發(fā)生大量建路、拆路事件，頻譜資源被釋放出來(lái)，而后又被重新啟用再分配以支持新到達(dá)的業(yè)務(wù)。由于頻譜分配必須遵循頻譜一致性和頻譜連續(xù)性等多重約束，頻繁地占用與釋放導(dǎo)致頻譜資源十分零散，形成了大量頻域的資源碎片[5]，這些碎片資源難以被利用以服務(wù)新業(yè)務(wù)，造成業(yè)務(wù)阻塞，網(wǎng)絡(luò)性能較差。同時(shí)，由于纖芯間串?dāng)_物理約束，碎片化問(wèn)題亦隨之空域化，使得資源狀態(tài)更加復(fù)雜棘手，網(wǎng)絡(luò)資源利用率大幅度降低，研究多芯光纖彈性光網(wǎng)絡(luò)的碎片資源優(yōu)化問(wèn)題顯得十分必要和迫切。

2 多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化策略

2.1 基于頻譜連續(xù)度的資源描述模型

多維光網(wǎng)絡(luò)物理底層資源多樣且狀態(tài)復(fù)雜，存在物理底層光節(jié)點(diǎn)集合、光纖鏈路集合、不同鏈路纖芯集合及不同纖芯頻譜隙集合。有研究學(xué)者[6]采用方形矩陣描述不同集合之間的關(guān)系，矩陣編號(hào)代表資源所在位置，矩陣元素代表資源占用狀態(tài)，一旦網(wǎng)絡(luò)中有端到端請(qǐng)求到達(dá)，在滿足各種物理約束情況下，選擇合適調(diào)制格式，從而選定請(qǐng)求資源路徑。在資源分配過(guò)程中，量化鏈路上空閑頻譜資源是十分必要的，可大大提高頻譜資源匹配速率，文獻(xiàn)[7]提出一種衡量頻譜資源占用與空閑程度的變量，即頻譜連續(xù)度。它代表網(wǎng)絡(luò)中空閑頻譜資源可用性大小，頻譜連續(xù)度越大，可用空閑頻譜段越規(guī)整，能容納新端到端連接請(qǐng)求的概率越大?；陬l譜連續(xù)度的資源描述模型能夠有效地評(píng)估網(wǎng)絡(luò)頻譜狀態(tài)，直觀表現(xiàn)可用空閑頻譜資源，在資源分配過(guò)程中有效避免大量零散頻譜碎片的產(chǎn)生。

式（1）中：SCc，l為鏈路l上纖芯c的頻譜連續(xù)度；為鏈路l的纖芯c上占用的最大頻譜隙編號(hào)；為鏈路l的纖芯c上占用的最小頻譜隙編號(hào)；為鏈路l的纖芯c上第i個(gè)頻譜段占用的頻譜隙總個(gè)數(shù)；Gc，l為鏈路l的纖芯c上空閑頻譜隙總個(gè)數(shù)；為鏈路l的纖芯c上可用頻譜塊總個(gè)數(shù)。

基于頻譜連續(xù)度的串?dāng)_感知資源分配算法，能夠有效利用纖芯資源，本文采用基于首次命中方式的串?dāng)_感知資源分配算法作為基準(zhǔn)對(duì)比算法（First Fit RSCA，F(xiàn)F-RSCA），以此參照評(píng)估本文提出的串?dāng)_感知資源優(yōu)化策略效果。

2.2 基于頻譜連續(xù)度的串?dāng)_感知資源優(yōu)化策略

本文提出的資源優(yōu)化過(guò)程分為3步：①參數(shù)預(yù)判階段，根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求帶寬大小，歸類(lèi)為不同的業(yè)務(wù)集合；②路由、纖芯與頻譜分配過(guò)程，將串?dāng)_感知與頻譜連續(xù)度兩者結(jié)合為權(quán)重因子，權(quán)重因子越大，容納即將到達(dá)業(yè)務(wù)可能性越大；③碎片重構(gòu)階段，以權(quán)重因子作為判決機(jī)制，超過(guò)閾值則觸發(fā)頻譜重構(gòu)策略，在超閾值鏈路上執(zhí)行頻譜重構(gòu)策略。其中鏈路上頻譜重構(gòu)主要過(guò)程分2步：不同纖芯的同頻段調(diào)整和同纖芯的不同頻譜遷移。通過(guò)調(diào)整頻譜重構(gòu)策略后，鏈路集合的權(quán)重因子均低于閾值，則說(shuō)明此策略有效改變了網(wǎng)絡(luò)鏈路資源的碎片化程度，有效規(guī)整了頻譜分布的位置，能夠容納更多業(yè)務(wù)請(qǐng)求。在頻譜重構(gòu)過(guò)程中，難免會(huì)消耗搬移次數(shù)、重構(gòu)時(shí)間及業(yè)務(wù)中斷時(shí)間等負(fù)面成本。圖3展示了該資源優(yōu)化算法（First Fit Proposal Algorithm，圖中簡(jiǎn)稱(chēng)為“FF-PA”）與FF-RSCA算法在不同業(yè)務(wù)量下阻塞率性能曲線、資源利用率性能曲線，其中權(quán)重因子閾值設(shè)定為10。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)串?dāng)_感知頻譜重構(gòu)策略后的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)明顯優(yōu)于FF-RSCA，主要體現(xiàn)在提高資源利用效率、降低阻塞率等方面，有效優(yōu)化了頻譜資源，極大改善了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線

3 結(jié)語(yǔ)

在互聯(lián)網(wǎng)高帶寬應(yīng)用數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)指數(shù)化增長(zhǎng)的背景下，多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)承載著高容量和高速率的動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)，隨著動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)不斷到達(dá)和離去，網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了大量的頻譜資源碎片，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。本文提出了一種基于頻譜連續(xù)度的串?dāng)_感知資源優(yōu)化策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法有較強(qiáng)的魯棒性和高效性，通過(guò)對(duì)光鏈路中資源碎片進(jìn)行周期性重構(gòu)，有效提升了多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)性能。