多維光網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化技術(shù)淺議
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摘要：近年來，隨著云計算、5G等通信技術(shù)快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)高帶寬應(yīng)用的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，單一的頻域資源難以滿足日益增長的帶寬需求，采用多芯光纖的彈性光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)不斷發(fā)展，因大量拆建路產(chǎn)生的資源碎片導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源利用率大大降低。通過分析多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)基本特征，提出了一種基于頻譜連續(xù)度的資源優(yōu)化策略，實驗結(jié)果表明，該策略能夠降低業(yè)務(wù)阻塞率，有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。
關(guān)鍵詞：多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)；頻譜碎片；頻譜連續(xù)度；資源優(yōu)化
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，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（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術(shù)、正交頻分復(fù)用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）技術(shù)、時分復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，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作為最小顆粒度進行業(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，減少資源的過度浪費，一種基于OFDM技術(shù)的彈性光網(wǎng)絡(luò)（ElasticOpticalNetworks，EONs）應(yīng)運而生。EONs具備可變顆粒度分配能力，以頻譜隙（FrequencySlot，F(xiàn)S）作為最小顆粒度資源，支持超波長傳輸，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，提高了資源利用率。運營商的移動數(shù)據(jù)流量正在以高增長率趨勢增長，導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)容量問題逐漸凸顯，基于單芯光纖和單模光纖的傳輸容量幾乎達到物理極限，空分復(fù)用彈性光網(wǎng)絡(luò)（SpaceDivisionMultiplexing-ElasticOpticalNetworks，SDM-EONs）應(yīng)運而生。其中，SDM技術(shù)可以通過多芯光纖（MCF）、少模光纖（FMF）等傳輸媒介實現(xiàn)[2]，其中多芯光纖彈性光網(wǎng)絡(luò)被認為是未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。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的位置進行信息傳輸，纖芯編號可自由選擇和切換；端到端業(yè)務(wù)由同一纖芯的頻譜隙資源來承載時，必須遵循頻譜隙編號始終保持連續(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（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）信道調(diào)制技術(shù)，可以有效對抗信號波形之間的干擾，保證帶寬傳輸效率，確?？煽康男盘杺鬏敗９饫w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，進行信號的有效傳輸。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波長層面。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行切換，但在此過程中端到端業(yè)務(wù)必須遵循頻譜連續(xù)性約束，這意味著信號可以在保持相同頻譜段編號的情況下在纖芯間自由切換。
1.2物理串?dāng)_約束
多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)在資源分配過程需要考慮多方面約束限制，其中一個是特有的物理約束，稱為芯間串?dāng)_。在光纖中耦合了多條纖芯，以此擴充傳輸容量，但在信號傳輸過程中可能會受到相鄰纖芯信號的干擾，從而嚴重影響信號質(zhì)量，導(dǎo)致長距離高保質(zhì)傳輸難以與高容量優(yōu)勢并存，這一問題引起了研究學(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個纖芯，其余6個纖芯按照順時針方向組合，中心纖芯承載著最嚴重的串?dāng)_；文獻[4]提出了一種基于耦合源理論下的纖芯間串?dāng)_計算公式，對纖芯間串?dāng)_進行量化評估。
1.3面臨問題與挑戰(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)傳輸容量得到了擴展，但也給光網(wǎng)絡(luò)帶來了新的問題和挑戰(zhàn)，一方面是頻域與空域資源路由分配問題，另一方面是頻域與空域資源碎片化問題。將多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)引入空間維度，在資源分配過程中要考慮3種因素，即路由、纖芯與頻譜，稱之為路由、纖芯與頻譜分配算法（Routing、SpectrumandCore、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格連續(xù)；物理纖芯間串?dāng)_約束，相鄰纖芯間傳輸信號會產(chǎn)生干擾。在多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)中，不同業(yè)務(wù)動態(tài)地到達和離去，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，而后又被重新啟用再分配以支持新到達的業(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，由于纖芯間串?dāng)_物理約束，碎片化問題亦隨之空域化，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)中有端到端請求到達，在滿足各種物理約束情況下，選擇合適調(diào)制格式，從而選定請求資源路徑。在資源分配過程中，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[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；lcmax，S為鏈路l的纖芯c上占用的最大頻譜隙編號；lcmin，S為鏈路l的纖芯c上占用的最小頻譜隙編號；lc，iB為鏈路l的纖芯c上第i個頻譜段占用的頻譜隙總個數(shù)；lc，G為鏈路l的纖芯c上空閑頻譜隙總個數(shù)；lc，jg為鏈路l的纖芯c上可用頻譜塊總個數(shù)?；陬l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對比算法（FirstFitRSCA，F(xiàn)F-RSCA），以此參照評估本文提出的串?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)化過程分為3步：①參數(shù)預(yù)判階段，根據(jù)業(yè)務(wù)請求帶寬大小，歸類為不同的業(yè)務(wù)集合；②路由、纖芯與頻譜分配過程，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)重因子作為判決機制，超過閾值則觸發(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)請求。在頻譜重構(gòu)過程中，難免會消耗搬移次數(shù)、重構(gòu)時間及業(yè)務(wù)中斷時間等負面成本。圖3展示了該資源優(yōu)化算法（FirstFitProposalAlgorithm，圖中簡稱為“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。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過串?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)運行性能。
3結(jié)語
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態(tài)業(yè)務(wù)，隨著動態(tài)業(yè)務(wù)不斷到達和離去，網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了大量的頻譜資源碎片，造成了資源的嚴重浪費。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，實驗結(jié)果表明，該算法有較強的魯棒性和高效性，通過對光鏈路中資源碎片進行周期性重構(gòu)，有效提升了多芯彈性光網(wǎng)絡(luò)性能。
作者:胡李亞洲 王曉軍 洪曄 馬銳軍 歐陽劍 單位:廣東技術(shù)師范大學(xué)