專利名稱：動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光網(wǎng)絡(luò)的組裝方法，特別是一種基于光網(wǎng)絡(luò)邊緣接入業(yè)務(wù)實時特性的動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝方法。用于光通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光突發(fā)交換(OBS)網(wǎng)絡(luò)成為光通信領(lǐng)域研究的熱點之一。一個OBS網(wǎng)絡(luò)由若干邊緣路由器和核心路由器構(gòu)成，邊緣路由器負責(zé)完成與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的接口，把傳統(tǒng)電子包組裝成突發(fā)，它是OBS域內(nèi)的基本傳輸和交換單元。OBS是一種單向資源預(yù)留方案，邊緣路由器為每一個突發(fā)創(chuàng)建一個控制包，并先于突發(fā)一個偏置時間發(fā)送出去，核心路由器對其進行電子處理為即將抵達的突發(fā)配置光開關(guān)矩陣。OBS可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)載荷透明傳輸，充分享受光技術(shù)帶來的豐富帶寬資源，同時，與光分組交換相比，交換粒度的增加降低了對核心路由器光開關(guān)速率的要求；與波長路由相比，單向資源預(yù)約與統(tǒng)計復(fù)用又大大提高了帶寬利用率。
OBS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括核心光突發(fā)交換層、光突發(fā)聚集層和接入層，OBS網(wǎng)絡(luò)的核心思想就是邊緣路由器充分發(fā)揮電和光足夠的智能，核心路由器盡量的簡單化以單向預(yù)約的信令協(xié)議來實現(xiàn)大粒度光突發(fā)的透明傳輸和交換。光突發(fā)聚集層的突發(fā)組裝是OBS網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，IP、SDH和ATM等傳統(tǒng)電子業(yè)務(wù)在邊緣路由器組裝成光突發(fā)從而保證在核心光網(wǎng)透明傳輸，為了充分利用現(xiàn)有電子設(shè)備靈活的存儲和控制功能并結(jié)合光通信的大容量優(yōu)勢，改善核心光網(wǎng)流量性能，網(wǎng)絡(luò)邊緣必須實時處理接入層流量，動態(tài)自適應(yīng)組裝突發(fā)包。
現(xiàn)有的突發(fā)組裝方法(X.Yu，Y.Chen，and C.Qiao，A Study of trafficstatistics of assembled burst traffic in optical burst switched networks<光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)突發(fā)流量組裝后的統(tǒng)計特性研究>，Proceedings，OpticalNetworking and Communication Conference(OptiComm)2002<光網(wǎng)絡(luò)和通信會議2002波士頓>，Boston，MA，July-Aug 2002)沿用傳統(tǒng)的電路交換下泊松到達間隔分布流量模式，仍然采用傳統(tǒng)的基于時間和包長的集中機制，偏置時間和集中閾值還只是停留在對微秒和毫秒量級相對應(yīng)大時間范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)流量仿真研究，兩者的疊加帶來了額外的組裝時延，這種固定時間范圍和包長的流量集中模式對語音業(yè)務(wù)具有很好的組裝能力，但對數(shù)據(jù)流量占主導(dǎo)地位網(wǎng)絡(luò)中IP業(yè)務(wù)以太流量的突發(fā)性、自相似性和長程相關(guān)性缺少適應(yīng)能力，無法根據(jù)流量的實時特性動態(tài)調(diào)整自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化，且由于其組裝粒度與實時流量無關(guān)性的限制，導(dǎo)致小突發(fā)組裝引入大開銷降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量而大突發(fā)又增大了組裝時延?，F(xiàn)有突發(fā)組裝方法的這些缺陷無法使網(wǎng)絡(luò)聚集層充分發(fā)揮電子智能優(yōu)勢動態(tài)自適應(yīng)改變接入層業(yè)務(wù)特性，這就增加了核心光網(wǎng)的壓力，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能惡化，同時也降低了光網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于光網(wǎng)絡(luò)邊緣接入業(yè)務(wù)實時特性的動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝方法，使其從根本上降低了由于業(yè)務(wù)組裝而引入的大時延和額外開銷，提高了網(wǎng)絡(luò)利用率和網(wǎng)絡(luò)靈活性，使光網(wǎng)帶寬利用率和吞吐量更符合實時的光網(wǎng)絡(luò)流量特性。它支持在線突發(fā)業(yè)務(wù)流預(yù)測，應(yīng)用于光網(wǎng)邊緣路由器可以構(gòu)建一個自適應(yīng)、靈活的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)。增強網(wǎng)絡(luò)自身對多業(yè)務(wù)大容量的適應(yīng)能力，并為光核心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保證、路由和競爭解決奠定了基礎(chǔ)，有利于未來光網(wǎng)流量工程。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，將目前非常成熟的線性濾波器經(jīng)過改進引入突發(fā)組裝中，利用數(shù)字信號處理(DSP)中的單步自回歸(AR)線性自適應(yīng)隨機過程估計模型，它正是面向自相似流量估計的隨機信號處理方法，更適應(yīng)現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)長程相關(guān)自相似特點，采用歸一化最小均方誤差預(yù)測解決方法(NRLR)，這種方法簡單并且不需要預(yù)先知道網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自相關(guān)結(jié)構(gòu)，免去了復(fù)雜的矩陣求逆和自相關(guān)運算，實時在線估計網(wǎng)絡(luò)流量特性，由估計包長動態(tài)調(diào)整突發(fā)組裝時間，從而保證了更實時的符合光網(wǎng)流量特性。
在這種線性自回歸預(yù)測基礎(chǔ)上針對光突發(fā)交換偏置時間和組裝時間的特點，采用加入預(yù)測時間內(nèi)本次流量加權(quán)的自適應(yīng)線性預(yù)測，實現(xiàn)在線流量估計，在突發(fā)組裝完成前提前發(fā)送控制包。本發(fā)明中，相應(yīng)端口和業(yè)務(wù)隊列的第一個到達包觸發(fā)自適應(yīng)自回歸(AAR)線性預(yù)測濾波器，在預(yù)測時間內(nèi)根據(jù)過去p次包長和自適應(yīng)系數(shù)及當(dāng)前已到達流量加權(quán)估計包長，從而動態(tài)決定組裝時間，完成更接近網(wǎng)絡(luò)實時業(yè)務(wù)流量特性的動態(tài)自適應(yīng)組裝。
以下通過步驟對本發(fā)明作進一步的具體限定(1)相應(yīng)端口和業(yè)務(wù)類集中隊列中第一個包到達觸發(fā)該突發(fā)對應(yīng)的自適應(yīng)自回歸AAR線性預(yù)測濾波器，同時調(diào)用前次包長預(yù)測值L(n)以便于計算誤差信息e(n)＝l(n)-L(n)，并且在預(yù)測時間結(jié)束時由突發(fā)集中隊列把當(dāng)前已到達包長信息l(n+1)傳遞給AAR濾波器。
(2)調(diào)用過去p次包長值l(n-I)，I＝1，......p，根據(jù)上一步提供的誤差信息e(n)計算自適應(yīng)系數(shù)，然后結(jié)合當(dāng)前已到達的包長信息l(n+1)來估計包長，表達式(1)(2)給出了單步包長預(yù)測值L(n+1)的估計方法，其中的w(-1)項是引入的本L(n+1)=Σi=0p-1w(i)l(n-i)+αl(n+1)TaTa-To=Σi=-1p-1w(i)l(n-i)--(1)]]>w→(n+1)=w→(n)+μ[l(n)-L(n)]l→(n-1)||l→(n-1)||2--(2)]]>次預(yù)測時間內(nèi)已到達流量l(n+1)的加權(quán)，它是光突發(fā)交換JET協(xié)議中突發(fā)集中時間和當(dāng)前n+1次流量預(yù)測時間的比值加權(quán)。本次流量特性固然與過去最近的p次包長有緊密聯(lián)系，然而本次預(yù)測時間內(nèi)的到達包有更大的相關(guān)性，將預(yù)測時間內(nèi)包加權(quán)與p階AR模型結(jié)合是本發(fā)明的重要創(chuàng)新。
(3)上一步驟得到本次流量預(yù)測值L(n+1)，傳遞給集中時間估計模塊，它根據(jù)最近一次包長與集中時間的關(guān)系估計負載，再由動態(tài)調(diào)整模塊根據(jù)本次估計包長L(n+1)和負載來動態(tài)調(diào)整該端口和業(yè)務(wù)類集中隊列的組裝時間，完成更接近網(wǎng)絡(luò)實時業(yè)務(wù)流量特性的動態(tài)自適應(yīng)組裝，這種基于最近一次負載估計的閾值確定是本發(fā)明的重要創(chuàng)新。
或者針對光突發(fā)包組裝，增加步驟(4)，具體為承接步驟(2)的本次流量預(yù)測值L(n+1)，同時傳遞給偏置時間確定模塊，然后把估計包長L(n+1)和偏置時間加入控制包，先于突發(fā)組裝完成前一個偏置時間提前發(fā)送。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有多方面的優(yōu)越性。傳統(tǒng)光突發(fā)交換組裝方法控制包在集中時間和偏置時間完全完成后發(fā)送，本發(fā)明針對光突發(fā)交換偏置時間和組裝時間的特點，采用加入預(yù)測時間內(nèi)本次流量加權(quán)的自適應(yīng)線性預(yù)測，實時估計網(wǎng)絡(luò)流量特性，動態(tài)調(diào)整突發(fā)組裝時間，從根本上降低了突發(fā)包組裝時延和額外開銷。傳統(tǒng)突發(fā)組裝方法對包長的估計并未考慮自相似業(yè)務(wù)特點和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，數(shù)據(jù)突發(fā)性和長程相關(guān)性給核心光網(wǎng)帶來很大的壓力，本發(fā)明的組裝方法成功借鑒了傳統(tǒng)成熟的DSP技術(shù)并加以改進引入了本次流量預(yù)測的加權(quán)，相應(yīng)端口和業(yè)務(wù)隊列的第一個到達包觸發(fā)自適應(yīng)自回歸AAR線性預(yù)測濾波器，在預(yù)測時間內(nèi)根據(jù)過去p次包長和自適應(yīng)系數(shù)及當(dāng)前已到達流量加權(quán)估計包長，從而動態(tài)決定組裝時間，準確估計了突發(fā)數(shù)據(jù)流量特性，完成更接近網(wǎng)絡(luò)實時業(yè)務(wù)流量特性的動態(tài)自適應(yīng)組裝。提高了網(wǎng)絡(luò)利用率和網(wǎng)絡(luò)性能，使光網(wǎng)帶寬利用率和吞吐量更符合實時的光網(wǎng)絡(luò)流量特性。
本發(fā)明應(yīng)用于光網(wǎng)邊緣路由器增強了光網(wǎng)絡(luò)自身對多業(yè)務(wù)大容量的適應(yīng)能力，有利于構(gòu)建一個自適應(yīng)、靈活的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)，對任意業(yè)務(wù)模型和負載都能自動調(diào)節(jié)，控制突發(fā)分組的發(fā)送時機，降低沖突的發(fā)生?，F(xiàn)在已公認分組業(yè)務(wù)具有自相似和長程相關(guān)特性，對于這種業(yè)務(wù)只有增加邊緣路由器的智能性，充分利用電層的緩存靈活特性，才能提高網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力，簡化核心光網(wǎng)的控制和管理，才能從根本上提高網(wǎng)絡(luò)性能，增強網(wǎng)絡(luò)自身的魯棒性。


圖1本發(fā)明動態(tài)自適應(yīng)業(yè)務(wù)流組裝方法框2本發(fā)明動態(tài)自適應(yīng)業(yè)務(wù)AAR(p)濾波器原理圖，根據(jù)本次已到達流量和前幾次的實際流量預(yù)測包長。
圖3本發(fā)明本次預(yù)測時間內(nèi)流量加權(quán)自適應(yīng)包長估計示意圖其中，格線包表示在預(yù)測時間內(nèi)已到達包，黑色包表示偏置時間內(nèi)實際到達包。
具體實施例方式
圖1詳細給出了本發(fā)明組裝方法框圖，當(dāng)前集中隊列的第一個包到達觸發(fā)控制包，在預(yù)測時間內(nèi)利用前次預(yù)測周期包長L(n)計算誤差信息e(n)＝l(n)-L(n)，包長記憶模塊的前p次包長l(n-I)，I＝0，1，......p和本次已到達流量l(n+1)，在自適應(yīng)自回歸AAR濾波器中估計當(dāng)前隊列的突發(fā)長度L(n+1)，流量預(yù)測確定包長L(n+1)傳遞給集中時間估計模塊，它根據(jù)最近一次包長與集中時間的關(guān)系估計負載，再由動態(tài)調(diào)整組裝時間模塊根據(jù)本次估計包長L(n+1)和負載來動態(tài)調(diào)整該端口和業(yè)務(wù)類集中隊列的組裝時間。本次流量預(yù)測值L(n+1)同時傳遞給偏置時間確定模塊，然后把估計包長L(n+1)和偏置時間加入突發(fā)控制包產(chǎn)生。
圖2具體描述了本發(fā)明提出的動態(tài)自適應(yīng)業(yè)務(wù)自回歸濾波器AAR的原理，根據(jù)發(fā)明內(nèi)容中的公式(1)，濾波器輸入為本次已到達實際流量長度l(n+1)、前次的實際包長L(n)和預(yù)測流量l(n)，圖中的延遲模塊表示n+1預(yù)測時間和n時間的延遲，延遲單元模塊表示一個單位時間的延遲單元產(chǎn)生l(n-1)，......l(n-p)，它們按照公式(2)的方法與前次誤差系數(shù)相乘疊加產(chǎn)生本次預(yù)測自適應(yīng)系數(shù)w(i)，其中的第一個系數(shù)w(-1)是集中時間對預(yù)測時間的比值加權(quán)，不需要自回歸產(chǎn)生而直接作用于已到達流量l(n+1)，然后與AR結(jié)合最后由公式(1)得到本次包長估計值。
下面將以一個突發(fā)組裝集中隊列的兩次不同流量情況下的組裝過程為例，對本發(fā)明的動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝與傳統(tǒng)突發(fā)組裝方法進行比較，如圖3所示。第一種情況下在預(yù)測時間內(nèi)到達了2個數(shù)據(jù)包，集中時間內(nèi)實際到達了5個數(shù)據(jù)包，而第二種情況下在預(yù)測時間內(nèi)并沒有包到達，實際也只到達了1個包。比較這兩種情況可以看出，在同樣的AR算法中，預(yù)測時間內(nèi)有數(shù)據(jù)包到達和沒數(shù)據(jù)包到達，對于本次包長預(yù)測有很大影響。純AR預(yù)測得到的突發(fā)長度為L＝5，選擇純AR的加權(quán)系數(shù)和本次預(yù)測時間內(nèi)流量加權(quán)系數(shù)分別為0.2和0.8，預(yù)測時間占總時間的0.4，第一種情況下無論純AR預(yù)測值還是加入本次預(yù)測時間流量權(quán)值后計算的結(jié)果(5×0.2+2×2.5×0.8＝5)都等于實際到達包長5；第二種情況下由于流量的突發(fā)性在預(yù)測時間內(nèi)并沒有數(shù)據(jù)包到達，所以純AR方法對本次包長預(yù)測無能為力，仍然認為實際包長是5，產(chǎn)生了5-1＝4倍的預(yù)測誤差，而引入本次加權(quán)后AAR濾波器的包長計算結(jié)果則為5×0.2+0×2.5×0.8＝1，同樣準確的預(yù)測了突發(fā)包長度。這樣，準確的包長估計結(jié)合負載從而確定動態(tài)范圍內(nèi)的最大突發(fā)組裝時間，完成動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝，這是本發(fā)明優(yōu)越性的一個實例說明。
最近p次的純AR估計使預(yù)測值接近實際流量值，然而考慮了本次預(yù)測時間內(nèi)突發(fā)長度的加權(quán)為本次流量的估計增加了更重要的砝碼，在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)自相似特性條件下，估計誤差的減小對減輕邊緣路由器處理能力和組裝時延，減少控制包處理開銷以及核心網(wǎng)絡(luò)流量阻塞和競爭解決有重要的意義。
權(quán)利要求
1.一種動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝方法，其特征在于，利用數(shù)字信號處理中的單步自回歸線性自適應(yīng)隨機過程估計模型，采用歸一化最小均方誤差預(yù)測解決方法，實時在線估計網(wǎng)絡(luò)流量特性，由估計包長動態(tài)調(diào)整突發(fā)組裝時間，在預(yù)測時間內(nèi)，它將本次流量加權(quán)與單步p階自回歸線性自適應(yīng)隨機過程估計模型相結(jié)合，而且它的最大突發(fā)組裝時間是根據(jù)估計包長和最近一次負載來動態(tài)確定的，在突發(fā)組裝完成前提前發(fā)送控制包。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝方法，其特征是，以下通過步驟作進一步的限定(1)相應(yīng)端口和業(yè)務(wù)類集中隊列中第一個包到達觸發(fā)該突發(fā)對應(yīng)的自適應(yīng)自回歸AAR線性預(yù)測濾波器，同時調(diào)用前次包長預(yù)測值L(n)計算誤差信息e(n)＝l(n)-L(n)，并且在預(yù)測時間結(jié)束時由突發(fā)集中隊列把當(dāng)前已到達包長信息l(n+1)傳遞給AAR濾波器；(2)調(diào)用過去p次包長值l(n-I)，I＝1，......p，根據(jù)上一步提供的誤差信息e(n)計算自適應(yīng)系數(shù)，然后結(jié)合當(dāng)前已到達的包長信息l(n+1)來估計包長；(3)上一步驟得到本次流量預(yù)測值L(n+1)，傳遞給集中時間估計模塊，它根據(jù)最近一次包長與集中時間的關(guān)系估計負載，再由動態(tài)調(diào)整模塊根據(jù)本次估計包長L(n+1)和負載來動態(tài)調(diào)整該端口和業(yè)務(wù)類集中隊列的組裝時間，完成更接近網(wǎng)絡(luò)實時業(yè)務(wù)流量特性的動態(tài)自適應(yīng)組裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝方法，其特征是，或者針對光突發(fā)包組裝，增加步驟(4)承接步驟(2)的本次流量預(yù)測值L(n+1)，同時傳遞給偏置時間確定模塊，然后把估計包長L(n+1)和偏置時間加入控制包，先于突發(fā)組裝完成前一個偏置時間提前發(fā)送。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝方法，其特征是，步驟(2)，結(jié)合當(dāng)前已到達的包長信息l(n+1)來估計包長，見如下表達式L(n+1)=Σi=0p-1w(i)l(n-i)+αl(n+1)TaTa-To=Σi=-1p-1w(i)l(n-i)]]>w→(n+1)=w→(n)+μ[l(n)-L(n)]l→(n-1)||l→(n-1)||2]]>單步包長預(yù)測值L(n+1)的估計方法，其中的w(-1)項是引入的本次預(yù)測時間內(nèi)已到達流量l(n+1)的加權(quán)，它是光突發(fā)交換JET協(xié)議中突發(fā)集中時間和當(dāng)前n+1次流量預(yù)測時間的比值加權(quán)。
全文摘要
一種動態(tài)自適應(yīng)突發(fā)組裝方法，用于光通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用數(shù)字信號處理中的單步自回歸線性自適應(yīng)隨機過程估計模型，采用歸一化最小均方誤差預(yù)測解決方法，實時在線估計網(wǎng)絡(luò)流量特性，由估計包長動態(tài)調(diào)整突發(fā)組裝時間，在預(yù)測時間內(nèi)，它將本次流量加權(quán)與單步p階自回歸線性自適應(yīng)隨機過程估計模型相結(jié)合，且它的最大突發(fā)組裝時間是根據(jù)估計包長和最近一次負載來動態(tài)確定的，在突發(fā)組裝完成前提前發(fā)送控制包。本發(fā)明有較強的適應(yīng)能力，有利于構(gòu)建一個自適應(yīng)、靈活的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)，對任意業(yè)務(wù)模型和負載都能自動調(diào)節(jié)，控制突發(fā)分組的發(fā)送時機，降低沖突的發(fā)生，簡化核心光網(wǎng)的控制和管理，才能從根本上提高網(wǎng)絡(luò)性能，增強網(wǎng)絡(luò)自身的魯棒性。
文檔編號H04L12/56GK1588908SQ200410052609
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月8日
發(fā)明者隋志成, 曾慶濟, 肖石林 申請人:上海交通大學(xué)