本發(fā)明屬于光纖通信技術領域，涉及一種基于高頻譜分辨率處理器(highspectralresolutionprocessors,hsr)的無色無向無沖突的靈活光分插復用器的(colorless,directionlessandcontention-lessflexiblereconfigurableopticaladd/dropmultiplexers,cdc-froadm)彈性光組播交換節(jié)點結構的能效調度方法。

背景技術：

隨著直播平臺、視頻流等組播業(yè)務的飛速增長，以及云計算、大數(shù)據(jù)技術的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡能耗、帶寬的需求不斷升高。此外，隨著用戶對傳輸帶寬、速率需求的不斷提高，傳統(tǒng)的波分復用(wavelengthdivisionmultiplexing,wdm)網(wǎng)絡已不能滿足網(wǎng)絡的高速、靈活、頻譜有效的需求。彈性光網(wǎng)絡可以根據(jù)業(yè)務需求自適應地選擇調制格式和所需頻帶，提高頻譜利用率和業(yè)務的靈活性。隨著網(wǎng)絡業(yè)務量的增加，如何降低業(yè)務阻塞，提高網(wǎng)絡的能效對于提升網(wǎng)絡資源的使用效率，實現(xiàn)節(jié)能光網(wǎng)絡等具有十分重要的意義。

在全光組播彈性光網(wǎng)絡中，光組播的實現(xiàn)需要軟硬件條件的支撐。光交換節(jié)點可以配置具有光組播功能的硬件支持，如分光器、頻譜轉換器、交叉連接器等。軟件方面，光組播需要各種算法實現(xiàn)路由建立、資源分配調度、沖突避免等功能。大量的硬件部署以及不同的節(jié)點結構都影響著全光組播網(wǎng)絡的能耗，能耗制約著全光組播網(wǎng)絡的發(fā)展。

現(xiàn)有的全光組播網(wǎng)絡節(jié)能研究主要包括設備能效的提高和能源有效的組播路由頻譜分配算法等方面。在實現(xiàn)全光組播網(wǎng)絡的硬件條件方面，中間節(jié)點的交換結構需具備支持組播的能力。現(xiàn)在研究較多的是支持組播的光交叉連接(multicast-capableopticalcrossconnect,mc-oxc)結構，但是大部分的硬件結構成本較高，業(yè)務交換不夠靈活?；赾dc-froadm的彈性光交換網(wǎng)絡加入分光器可實現(xiàn)組播功能，其組網(wǎng)和調度方式對速率不敏感，可以支持高數(shù)據(jù)速率、靈活交換和多業(yè)務類型，還能消除電設備的帶寬瓶頸，實現(xiàn)網(wǎng)絡透明性，同時還可以快速實現(xiàn)任意頻譜的靈活、動態(tài)上下路。不同的組播交換結構在成本能耗、業(yè)務交換、阻塞等方面差別很大，同時這些因素相互關聯(lián)和制約，因此設計時要考慮使用場景和性能要求等因素。在全光組播的軟件方面，光組播網(wǎng)絡資源的調度問題是研究的熱點。隨著全光組播網(wǎng)絡業(yè)務量的增長以及光層設備的大量使用，網(wǎng)絡能耗也隨之增加，不同的資源分配策略帶來的能耗也不同。但是現(xiàn)有的策略未考慮到網(wǎng)絡中鏈路的頻譜資源對路由和資源分配時的影響，容易導致光網(wǎng)絡中的業(yè)務發(fā)生嚴重阻塞。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于hsr的cdc-froadm彈性光組播交換節(jié)點結構的能效調度方法，該方法在提高網(wǎng)絡能效、降低網(wǎng)絡的帶寬阻塞率等方面具有明顯的優(yōu)勢和效果。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

基于hsr的cdc-froadm組播交換節(jié)點能效調度方法，包括以下步驟：

s1：初始化階段；初始化網(wǎng)絡頻譜資源，產(chǎn)生組播業(yè)務請求，確定業(yè)務帶寬大小，按從小到大對帶寬大小依次排序，并編號存放在一個業(yè)務集合a中；

s2：路由階段；依次取出集合a中第i(為總的業(yè)務數(shù))個業(yè)務ri{si,di,w}，w為業(yè)務帶寬大?。怀跏蓟瘶I(yè)務光樹集合為業(yè)務ri計算組播光樹；在目的節(jié)點集合di中任取一個目的節(jié)點dj，利用代價函數(shù)cl計算一條源節(jié)點si到dj的最小代價路徑pij；

s3：將pij加入組播光樹ti中，更新業(yè)務ri目的節(jié)點集合di＝di-dj；判斷集合di是否為如果不為則繼續(xù)從di中任取目的節(jié)點進行最小代價路徑的計算；如果為則根據(jù)所建組播光樹ti大小，在物理損傷約束下為業(yè)務選擇最佳的調制等級，則計算業(yè)務ri所需的頻隙數(shù)n；

s4：頻譜分配階段；統(tǒng)計光樹中所有鏈路的空閑的頻譜資源，查看每條鏈路是否有滿足業(yè)務傳輸?shù)念l譜資源；若有，則使用首次命中(firstfit,ff)算法為業(yè)務分配頻譜資源，并成功傳輸業(yè)務；若沒有，則根據(jù)光樹中鏈路的頻譜資源使用情況，查看是否可通過節(jié)點的頻譜轉換成功傳輸業(yè)務；若可通過，找出相應的節(jié)點進行頻譜轉換，并為業(yè)務分配頻譜資源；否則，阻塞業(yè)務。

進一步，在所述步驟s2中代價函數(shù)cl的計算采用以下公式：

其中，為鏈路l上放大器的能耗，為新加入光樹的roadm節(jié)點能耗，為鏈路l上最大的空閑頻隙數(shù)目，為鏈路l上的總頻隙數(shù)目，δ是布爾變量，δ＝1表示已有光樹中已存在鏈路l，δ＝0表示已有光樹中不存在鏈路l。

進一步，在所述步驟s3中計算業(yè)務ri所需的頻隙數(shù)n采用以下公式：

其中，w為業(yè)務帶寬大小，bmod為在給定調制格式下的頻譜效率，調制格式取1,2,3,4分別對應于bpsk,qpsk,8qam,16qam，sslot＝12.5ghz，sslot表示一個頻隙的大小，gb＝1，gb表示業(yè)務所需的保護間隔的頻隙數(shù)目。

進一步，所述組播交換節(jié)點包括n個輸入/輸出端口，2n個規(guī)模大小為1×m的波長選擇開關(wavelengthselectiveswitch，wss)，2n×(m-1)個分光器，n個基于硅基液晶(liquidcrystalonsilicon,lcos)的高頻譜分辨率處理器(highspectralresolutionprocessors,hsr)和n個帶寬可變轉發(fā)器(bandwidth-variabletransponders，bvts)。

進一步，所述組播交換節(jié)點包括直通模塊、上下路交換模塊和控制模塊，能夠實現(xiàn)超級波長級、波長級、子載波級業(yè)務的全光交換以及疏導；直通模塊直接通過輸入和輸出端的wss實現(xiàn)，實現(xiàn)信號的并行快速直通傳輸；上下路交換模塊是由hsr和bvts共同組成，通過分枝c實現(xiàn)業(yè)務在節(jié)點的頻譜轉換功能，實現(xiàn)業(yè)務全光靈活上下路；控制模塊實現(xiàn)對節(jié)點資源的輸入輸出進行調度控制；當業(yè)務到達節(jié)點時，根據(jù)業(yè)務的路由帶寬和傳輸距離等信息告知節(jié)點控制器，通過輸入端的wss可快速選擇相應的輸出端wss進行輸出或者通過hsr處理器進行全光上下路處理，通過配置與節(jié)點度數(shù)相同的可變帶寬轉發(fā)器數(shù)目實現(xiàn)無沖突。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種適用于彈性光網(wǎng)絡的基于hsr的cdc-froadm組播交換節(jié)點結構的能效調度方法，其中，基于hsr的cdc-froadm彈性光組播交換節(jié)點結構可實現(xiàn)頻譜轉換機制；聯(lián)合考慮網(wǎng)絡能耗和鏈路頻譜資源使用情況的能效調度策略是指在路由階段，設計基于最小代價路徑樹算法來構建組播光樹，首先綜合考慮能耗和鏈路資源使用情況對網(wǎng)絡的影響設計代價函數(shù)，并利用代價函數(shù)為源節(jié)點到某一目的節(jié)點計算一條最小代價的路徑，并將該路徑加入光樹中，隨后刪除該目的節(jié)點，然后依次為剩下的目的節(jié)點計算該目的節(jié)點到光樹的最小代價路徑，并將該路徑加入光樹，隨后依次刪除這些目的節(jié)點，最終所得到代價最小的光樹作為業(yè)務路由路徑。在資源調度階段，首先統(tǒng)計光樹中所有鏈路的頻譜資源使用情況，當鏈路上有滿足業(yè)務傳輸?shù)目捎妙l譜資源但不滿足頻譜一致性約束時，業(yè)務可通過相應的節(jié)點進行頻譜轉換，并為業(yè)務分配合適的頻譜資源，進一步提升網(wǎng)絡能效和降低帶寬阻塞率。此方法能夠很好地提升網(wǎng)絡的能效，本發(fā)明在提高網(wǎng)絡能效、降低網(wǎng)絡帶寬阻塞率等方面具有明顯的優(yōu)勢和效果。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明：

圖1為基于hsr的cdc-froadm彈性光組播交換節(jié)點結構圖；

圖2為基于hsr的全光上下路和頻譜轉換模塊結構圖；

圖3為基于hsr的頻譜轉換示意圖；

圖4為能效調度算法流程圖。

具體實施方式

下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。

針對現(xiàn)有的全光組播網(wǎng)絡硬件方面成本較高，業(yè)務交換不夠靈活?，F(xiàn)有的全光組播網(wǎng)絡能效調度策略未考慮到網(wǎng)絡中鏈路的頻譜資源對路徑和資源分配時的影響，容易導致業(yè)務發(fā)生嚴重阻塞。本發(fā)明設計了一種基于hsr的cdc-froadm彈性光組播交換節(jié)點結構的能效調度方法。

在基于cdc-froadm節(jié)點的全光組播網(wǎng)絡中，能耗的來源主要是一些光層設備，網(wǎng)絡能耗主要包括構成節(jié)點的roadms和bvts能耗，以及路徑上相關的光放大器能耗。設網(wǎng)絡拓撲由g(v,e)表示，v表示網(wǎng)絡中的節(jié)點集合，e表示鏈路集合。t.tanaka等人提出能耗模型如下：

pnode＝proadm+pbvt(2)

proadm＝n×20+β×100-1.2(n+β-1)(3)

psubc＝1.683×tr+91.333(5)

其中，ptotal為總功耗，包括每個節(jié)點功耗pnode和鏈路l上放大器的能耗節(jié)點能耗包括roadm的能耗proadm和轉發(fā)器的能耗pbvt。n0為所需子載波數(shù)目。psubc為對應調制格式下單個子載波的能耗。b為子載波數(shù)目，capsubc為對應調制格式下單個子載波的傳輸容量。tr表示bvt的傳輸速率。x表示第l條鏈路上放大器個數(shù)。ll為第l條鏈路長度。poa為單個放大器的能耗。n為節(jié)點度數(shù)，β為該節(jié)點的業(yè)務度數(shù)。光纖上每隔80km放置一個放大器，每個放大器的額外開銷為140w。不同調制格式下單個子載波的傳輸容量、能耗和傳輸距離如表1所示。

表1收發(fā)機在不同調制等級下子載波的傳輸容量、能耗和傳輸距離

在彈性光路徑中，組播業(yè)務選擇不同的路由路徑時，由于路徑的長度不同，故其選擇的調制格式也不相同，進而導致發(fā)射機的能耗也不同。通常情況下，業(yè)務的調制格式越高，單位頻隙資源傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也越大，傳輸單位數(shù)據(jù)的能耗相應也越少。然而，在高調制格式的星座圖中，節(jié)點間的歐式距離較短，相應的抗干擾能力較差，為了保證業(yè)務的傳輸質量，較高等級的調制格式對應的傳輸距離會變短。因此，節(jié)點轉發(fā)器的能耗影響著網(wǎng)絡的性能，有效的路由資源調度策略有助于提升網(wǎng)絡能效。

附圖1所示為基于hsr的cdc-froadm彈性光組播交換節(jié)點結構圖，包括n個輸入/輸出端口，2n(n為端口數(shù))個規(guī)模大小為1×m的波長選擇開關(wss)，2n×(m-1)個分光器，n個hsr和n個bvts。

該組播交換節(jié)點結構工作原理為：該結構是一個n維度的路由選擇型cdc-froadm，每一維度的輸入，輸出都是由1×m的靈活柵格wss對組成。該結構分為控制模塊、直通模塊和上下路交換模塊。直通模塊直接通過輸入和輸出端的wss實現(xiàn)，用來實現(xiàn)信號的并行快速直通傳輸。上下路交換模塊是由基于lcos的hsr處理器和bvts共同組成，用來實現(xiàn)業(yè)務全光靈活上下路?？刂颇K實現(xiàn)對節(jié)點資源的輸入輸出進行調度控制。當業(yè)務到達節(jié)點時，根據(jù)業(yè)務的路由帶寬和傳輸距離等信息告知節(jié)點控制器，通過輸入端的wss可快速選擇相應的輸出端wss進行輸出或者通過hsr處理器進行全光上下路處理。無沖突的實現(xiàn)通過配置與節(jié)點度數(shù)相同的可變帶寬轉發(fā)器數(shù)目實現(xiàn)。該節(jié)點能夠實現(xiàn)超級波長級、波長級、子載波級業(yè)務的全光交換以及疏導。本結構能夠實現(xiàn)按需升級擴容而不影響已存在的業(yè)務傳輸。

附圖2所示為基于hsr的全光上下路和頻譜轉換模塊結構圖。該模塊的工作原理為：當業(yè)務進入節(jié)點結構的某一端口時，經(jīng)輸入端wss可選擇直通和分光器處理，經(jīng)過分光器復制為多個光組播業(yè)務，業(yè)務經(jīng)過復制后再通過三個分枝干涉結構完成交換(分枝a,b,c,d)。組播業(yè)務通過分枝a后，緩存等待與分枝c和分枝d干涉后的信號再次進行干涉，形成新的信號輸出。另一份組播業(yè)務進入分枝b和分枝c進行處理，進入分枝c的一份信號經(jīng)放大后首先通過快速傅里葉變換(fastfouriertransform,fft)處理器，這里的fft處理是進行精細濾波，濾出無需處理的子載波，需要處理的子載波選擇一路門電路，同時對各子載波信號進行同步，再通過快速傅里葉逆變換(inversefastfouriertransform,ifft)處理器進行整形，輸出經(jīng)edfa進行再放大處理。處理后的信號與分枝d中上路的信號干涉形成一個新的子載波信號，再與經(jīng)過分枝a的信號干涉形成一個新的信號。進入分枝b的信號，經(jīng)fft處理器進行精細濾波，選擇需要下路的信號進行下路處理。

hsr不僅能實現(xiàn)業(yè)務在節(jié)點的靈活上下路還可通過分枝c實現(xiàn)業(yè)務在節(jié)點的頻譜轉換功能。當為業(yè)務建立光路進行資源分配時，一般需要滿足頻譜的連續(xù)性和一致性，這時，中間節(jié)點是不具備頻譜轉換功能的；但是業(yè)務傳輸?shù)穆窂街械哪承╂溌飞系念l譜資源可能不滿足業(yè)務傳輸?shù)囊恢滦约s束，導致業(yè)務發(fā)生阻塞。為了提高業(yè)務成功傳輸?shù)母怕?，可利用相應配置hsr的節(jié)點處對業(yè)務進行頻譜轉換，從而降低業(yè)務阻塞率?；趆sr的節(jié)點結構容易實現(xiàn)，成本能耗較小(hsr的能耗為4w)。

附圖3所示為基于hsr的頻譜轉換示意圖。假設業(yè)務r’(a,c)，占用3個頻隙，a為源節(jié)點，b為中間節(jié)點，c為目的節(jié)點，鏈路頻譜資源使用情況如圖3所示。由于鏈路lac上的頻譜資源不滿足業(yè)務傳輸，因此業(yè)務需要從a-b-c，但是考慮到業(yè)務頻譜分配時的連續(xù)性、一致性約束，lbc上的頻譜資源不滿足業(yè)務傳輸約束，但是b節(jié)點配備了hsr處理器，因此，業(yè)務可在b節(jié)點處進行頻譜轉換，這樣r’可使用鏈路lbc上的空閑頻隙(圖中的頻隙4-6)進行傳輸。

下面將結合附圖4對本發(fā)明的聯(lián)合考慮網(wǎng)絡能耗和鏈路頻譜資源使用情況的能效調度策略進行詳細的說明，該策略在為業(yè)務構建組播光樹時，聯(lián)合考慮網(wǎng)絡能耗和鏈路上可用的頻譜資源，提高能效；在資源調度階段，為了減少業(yè)務阻塞，首先統(tǒng)計光樹中所有鏈路的空閑的頻譜資源，查看每條鏈路是否有滿足業(yè)務傳輸?shù)念l譜資源，如果有，則使用ff算法為業(yè)務分配頻譜資源，并成功傳輸業(yè)務；如果沒有，則根據(jù)光樹中鏈路的頻譜資源使用情況，查看是否可通過節(jié)點的頻譜轉換成功傳輸業(yè)務，并找出相應的節(jié)點進行頻譜轉換，并為業(yè)務分配頻譜資源；否則，阻塞業(yè)務。具體可分為下面幾個步驟：

步驟1：初始化網(wǎng)絡頻譜資源，產(chǎn)生組播業(yè)務請求。按業(yè)務帶寬大小從大到小排序，并為每個業(yè)務進行編號，按序存放在業(yè)務集合a中；

步驟2：依次取出集合a中第i(為總的業(yè)務數(shù))個業(yè)務ri{si,di,w}，w為業(yè)務帶寬大小，初始化業(yè)務光樹集合為業(yè)務ri計算組播光樹；

步驟3：在di中任取一個目的節(jié)點dj，利用公式為業(yè)務計算一條源節(jié)點si到dj的最小代價路徑pij；并將pij加入組播光樹ti中，更新業(yè)務ri目的節(jié)點集合di＝di-dj；

步驟4：判斷目的節(jié)點集合di是否為如果為則跳至步驟5；否則，返回至步驟3；

步驟5：根據(jù)所建組播光樹ti大小，在物理損傷約束下為業(yè)務選擇最佳的調制等級，并根據(jù)公式計算業(yè)務ri所需頻隙數(shù)；

步驟6：統(tǒng)計光樹中所有鏈路的空閑頻譜資源，判斷是否有滿足業(yè)務需求的頻譜塊。若有，則為業(yè)務建立連接，使用ff算法為業(yè)務ri進行頻譜分配，并計算網(wǎng)絡總能耗ptotal，跳至步驟10；否則，跳至步驟7；

步驟7：根據(jù)光樹中所有鏈路的頻譜使用情況，判斷業(yè)務是否可通過在節(jié)點處進行頻譜轉換成功傳輸，如果可以，則跳至步驟8；如果不可以，則阻塞請求，跳至步驟10；

步驟8：將鏈路上滿足業(yè)務請求的頻譜資源從小到大排序，如果頻譜塊大小相同，再按照頻譜塊的起始索引值大小由小到大排序；

步驟9：找出相應的節(jié)點進行頻譜轉換，選擇步驟8中頻譜起始索引值小的為業(yè)務分配頻譜資源，建立連接，并統(tǒng)計網(wǎng)絡能耗ptotal，跳至步驟10；

步驟10：當前業(yè)務是否為業(yè)務集合a中最后一個業(yè)務，若是，算法結束；否則，返回至步驟2。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。