多维光网络资源优化技术浅议

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摘要：近年来，随着云计算、5G等通信技术快速发展，互联网高带宽应用的数据量呈指数级增长，单一的频域资源难以满足日益增长的带宽需求，采用多芯光纤的弹性光网络应运而生。然而，随着网络中业务不断发展，因大量拆建路产生的资源碎片导致网络资源利用率大大降低。通过分析多芯弹性光网络基本特征，提出了一种基于频谱连续度的资源优化策略，实验结果表明，该策略能够降低业务阻塞率，有效提升网络性能。

关键词：多芯弹性光网络；频谱碎片；频谱连续度；资源优化

随着互联网应用技术日益发展，网络带宽需求以每年10%的速度迅速增长，光传输网正朝着大容量、IP化方向迅猛发展。一般而言，光纤链路扩容技术依附不同维度的多路复用技术，如波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技术、正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）技术、时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）技术等[1]。传统的波分复用光网络商业化良好，已广泛应用于当前的主干网和接入网中，它以固定大小的波长作为最小颗粒度进行业务带宽分配，但是这种方式难以适应不同颗粒度的业务请求，导致资源利用率偏低。为提高资源分配灵活性，减少资源的过度浪费，一种基于OFDM技术的弹性光网络（ElasticOpticalNetworks，EONs）应运而生。EONs具备可变颗粒度分配能力，以频谱隙（FrequencySlot，FS）作为最小颗粒度资源，支持超波长传输，能够按需配置适合的调制格式与频谱栅格，从而减少了带宽资源的浪费，提高了资源利用率。运营商的移动数据流量正在以高增长率趋势增长，导致光网络容量问题逐渐凸显，基于单芯光纤和单模光纤的传输容量几乎达到物理极限，空分复用弹性光网络（SpaceDivisionMultiplexing-ElasticOpticalNetworks，SDM-EONs）应运而生。其中，SDM技术可以通过多芯光纤（MCF）、少模光纤（FMF）等传输媒介实现[2]，其中多芯光纤弹性光网络被认为是未来光网络发展的必然趋势。因此，本文主要探讨多芯光纤弹性光网络中的资源优化问题。

1多芯弹性光网络特征概述

1.1多芯光纤结构

多芯光纤由不同数量的纤芯组成，每个纤芯中的频谱隙是多芯弹性光网络的核心网络资源。频谱隙作为基本的网络带宽单元，需要遵循频谱连续性约束、频谱一致性约束等资源分配规则。端到端业务在光路上必须占用不同纤芯上相同频谱隙编号的位置进行信息传输，纤芯编号可自由选择和切换；端到端业务由同一纤芯的频谱隙资源来承载时，必须遵循频谱隙编号始终保持连续的原则，不可跳隙分配资源。光纤纤芯应采用正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）信道调制技术，可以有效对抗信号波形之间的干扰，保证带宽传输效率，确保可靠的信号传输。光纤收发器资源由收发器资源池组成，可以根据流量需求提供匹配的子收发器，进行信号的有效传输。在光纤交换结构中，光纤交换、纤芯交换和频谱交换等资源交换的功能都可以实现，并且支持添加、删除和切换不同的灵活信道，其资源粒度可以到达波长层面。纤芯间频谱资源交换结构如图1所示，在光纤交换结构中不同频谱隙可以在不同的纤芯之间进行切换，但在此过程中端到端业务必须遵循频谱连续性约束，这意味着信号可以在保持相同频谱段编号的情况下在纤芯间自由切换。

1.2物理串扰约束

多芯弹性光网络在资源分配过程需要考虑多方面约束限制，其中一个是特有的物理约束，称为芯间串扰。在光纤中耦合了多条纤芯，以此扩充传输容量，但在信号传输过程中可能会受到相邻纤芯信号的干扰，从而严重影响信号质量，导致长距离高保质传输难以与高容量优势并存，这一问题引起了研究学者的密切关注与研究，如何使紧密的纤芯排列与微弱的相邻纤芯间串扰相互融合，有研究学者提出了一种沟槽型多芯光纤结构[3]，如图2所示的7芯光纤结构。此结构光纤中部放置1个纤芯，其余6个纤芯按照顺时针方向组合，中心纤芯承载着最严重的串扰；文献[4]提出了一种基于耦合源理论下的纤芯间串扰计算公式，对纤芯间串扰进行量化评估。

1.3面临问题与挑战

将多芯光纤技术引入弹性光网络中，虽然网络传输容量得到了扩展，但也给光网络带来了新的问题和挑战，一方面是频域与空域资源路由分配问题，另一方面是频域与空域资源碎片化问题。将多芯弹性光网络引入空间维度，在资源分配过程中要考虑3种因素，即路由、纤芯与频谱，称之为路由、纤芯与频谱分配算法（Routing、SpectrumandCore、RSCA）。需要考虑的特征约束如下：频谱一致性约束，端到端服务必须沿着光路径使用相同的频谱隙资源；频谱连续性约束，端到端服务在同一纤芯内承载的频谱隙在频域中严格连续；物理纤芯间串扰约束，相邻纤芯间传输信号会产生干扰。在多芯弹性光网络中，不同业务动态地到达和离去，网络中不断地发生大量建路、拆路事件，频谱资源被释放出来，而后又被重新启用再分配以支持新到达的业务。由于频谱分配必须遵循频谱一致性和频谱连续性等多重约束，频繁地占用与释放导致频谱资源十分零散，形成了大量频域的资源碎片[5]，这些碎片资源难以被利用以服务新业务，造成业务阻塞，网络性能较差。同时，由于纤芯间串扰物理约束，碎片化问题亦随之空域化，使得资源状态更加复杂棘手，网络资源利用率大幅度降低，研究多芯光纤弹性光网络的碎片资源优化问题显得十分必要和迫切。

2多芯弹性光网络资源优化策略

2.1基于频谱连续度的资源描述模型

多维光网络物理底层资源多样且状态复杂，存在物理底层光节点集合、光纤链路集合、不同链路纤芯集合及不同纤芯频谱隙集合。有研究学者[6]采用方形矩阵描述不同集合之间的关系，矩阵编号代表资源所在位置，矩阵元素代表资源占用状态，一旦网络中有端到端请求到达，在满足各种物理约束情况下，选择合适调制格式，从而选定请求资源路径。在资源分配过程中，量化链路上空闲频谱资源是十分必要的，可大大提高频谱资源匹配速率，文献[7]提出一种衡量频谱资源占用与空闲程度的变量，即频谱连续度。它代表网络中空闲频谱资源可用性大小，频谱连续度越大，可用空闲频谱段越规整，能容纳新端到端连接请求的概率越大。基于频谱连续度的资源描述模型能够有效地评估网络频谱状态，直观表现可用空闲频谱资源，在资源分配过程中有效避免大量零散频谱碎片的产生。式（1）中：SCc，l为链路l上纤芯c的频谱连续度；lcmax，S为链路l的纤芯c上占用的最大频谱隙编号；lcmin，S为链路l的纤芯c上占用的最小频谱隙编号；lc，iB为链路l的纤芯c上第i个频谱段占用的频谱隙总个数；lc，G为链路l的纤芯c上空闲频谱隙总个数；lc，jg为链路l的纤芯c上可用频谱块总个数。基于频谱连续度的串扰感知资源分配算法，能够有效利用纤芯资源，本文采用基于首次命中方式的串扰感知资源分配算法作为基准对比算法（FirstFitRSCA，FF-RSCA），以此参照评估本文提出的串扰感知资源优化策略效果。

2.2基于频谱连续度的串扰感知资源优化策略

本文提出的资源优化过程分为3步：①参数预判阶段，根据业务请求带宽大小，归类为不同的业务集合；②路由、纤芯与频谱分配过程，将串扰感知与频谱连续度两者结合为权重因子，权重因子越大，容纳即将到达业务可能性越大；③碎片重构阶段，以权重因子作为判决机制，超过阈值则触发频谱重构策略，在超阈值链路上执行频谱重构策略。其中链路上频谱重构主要过程分2步：不同纤芯的同频段调整和同纤芯的不同频谱迁移。通过调整频谱重构策略后，链路集合的权重因子均低于阈值，则说明此策略有效改变了网络链路资源的碎片化程度，有效规整了频谱分布的位置，能够容纳更多业务请求。在频谱重构过程中，难免会消耗搬移次数、重构时间及业务中断时间等负面成本。图3展示了该资源优化算法（FirstFitProposalAlgorithm，图中简称为“FF-PA”）与FF-RSCA算法在不同业务量下阻塞率性能曲线、资源利用率性能曲线，其中权重因子阈值设定为10。实验结果表明，经过串扰感知频谱重构策略后的网络链路状态明显优于FF-RSCA，主要体现在提高资源利用效率、降低阻塞率等方面，有效优化了频谱资源，极大改善了网络运行性能。

3结语

在互联网高带宽应用数据量呈现指数化增长的背景下，多芯弹性光网络承载着高容量和高速率的动态业务，随着动态业务不断到达和离去，网络中产生了大量的频谱资源碎片，造成了资源的严重浪费。本文提出了一种基于频谱连续度的串扰感知资源优化策略，实验结果表明，该算法有较强的鲁棒性和高效性，通过对光链路中资源碎片进行周期性重构，有效提升了多芯弹性光网络性能。

作者:胡李亚洲 王晓军 洪晔 马锐军 欧阳剑 单位:广东技术师范大学