光通信网络中路由与波长分配的算法研究

光通信网络中路由与波长分配的算法研究摘要：随着科学技术的不断发展，光通信网络成为了网络技术的主要发展趋势，逐渐在通信网络中发挥出显著作用。现阶段，光通信网络中的光网络主要采用基于密集波分复用技术组成，一旦波分数量增加，光网络中的路由选择与波长分配问题就难以解决。本文针对分层图模型的相关概念进行分析，详细阐述了波长可变光网络中的动态RWA算法，并在此基础上，分析了动态RWA算法的数值模拟，以在提高波长资源利用率的同时，降低网络阻塞率。关键词：光通信网络；路由与波长分配；动态RWA算法前言为在提高波长资源利用率的基础上，降低网络阻塞率，可利用波长转换器将光网络中的波长一致性限制进行部分消除，建立并连接虚波长通道，构成波长可变光网络。为了在波长路由光网络中接纳呼叫并建立对应请求，并为其选择最短路由与分配适当波长成为了该领域的热点研究问题。当波长可变光网络中的各节点处于波长转换器满配置状态，则选择RWA中的波长十分简单；但若各节点未处于波长转换器满配置状态，则需要寻找适当的路由与波长，进一步完成呼叫建立请求。因此，光通信网络中路由与波长分配的算法成为了新的研究课题。一、理论分析本文解决动态RWA问题采用的是并行模式，即借助分层图模型将问题融入到分层图中，找出两节点之间的最短路径。假设光网络物理拓扑无向图Y（S，L，C，WCN），其中，S为物理节点集合，C为光纤中可用波长集合，L为双向链路集合（由一对反方向的单向光纤组成），将可自主转换波长的节点集合定义为WCN。为了确保后续算法的有序进行，需进行物理拓扑无向图到有向分层图的快速转变，以有向分层图LY（A,B）为例，分层图节点集合为A，有向边集合为B。二、动态RWA算法在物理拓扑分层图中（见图1），动态REA算法的充分应用，是在路由与分配波长的基础上进行呼叫建立请求，且在分层图中找出最短路径，简单来说，即所经过边的代价综合。结合分层图来看，应根据具体需求构建各条非虚拟边的初始代价，若光通路经由的物理距离一定是最短距离，则应设定与物理距离相应的边的代价；如果光通路所经过的途径转接次数必须最少，则设定边的代价应为1,虚拟边代价为0，转化边代价为C（C为统一设定的较大值）。由于动态RWA算法建立的光通路通常不使用波长转换器，因此在执行本算法时，需要找到有效路由，并计算出光通路所经过边的代价综合。图1物理拓扑图转化为分层图为了A节点与B节点的呼叫建立请求，应准确地寻找路由与分配波长，可用数学模型将其表示为：，该式需满足条件为：。式中，P表示从A节点至B节点的所有路由的集合，E表示分层图中的编辑，c(e)表示边e的代价，pepxx,是分别为两个示性函数。可以利用分层图图论中的最短路由算法将该数学问题进行解答，只需在分层图中找出最短路由，即可进行呼叫建立请求，并且指定路由与分配波长。在此基础上，动态WRA算法即为：①实现物理拓扑无向图向分层有向图的转变，且使各条边代价初始化；②等待出发事件。呼叫建立请求事件的发生，应立即跳转准备}min{PpEepepoptxxecWeight1Pppx执行③，呼叫终止拆链时间的发生，也须立即跳转准备执行④，若于物理A节点与B节点间进行呼叫建立请求，须在利用分层图中最短路径的相关算法找出最短路径，若其具有无限代价值，即截止目前，光网络中，没有空闲资源可接受该项呼叫建立请求，针对这一情况，则需拒绝该呼叫请求，并立即跳转到②等待触发事件。若最短路径具备有限代价值，表明光网络有空闲资源可接受该呼叫建立请求，并找到了合适波长与最短路径。其中，光通路即为最短路径包含边kije，而链路则位于i节点与j节点之间，其使用波长为k。若最短路径包含边为klje，表明光通路经过j节点且转换波长，完成由k波长向l波长的转换。当接受呼叫建立请求后，应改变光通路分层图中对应边的代价，并跳转至②，再次等待触发事件；④释放光通路所占用的一切资源，实现分层图中边的代价向初始代价值的转变，并跳转到②，等待触发事件。三、动态RWA算法的数值模拟通过计算机数值模拟，深入分析了本文中基于分层图模型的动态RWA算法。在模拟中，假设光网络为即时拒绝系统，即在网络处理呼叫建立请求过程中，并没有排队机制，实现各呼叫建立请求的实时接收。同时，各节点对之间的请求都毫无联系，且其柏松流参数为，其持续时间依据参数为/1的负指数分布，整个网络的呼叫强度是/)1|(|||NN（Erlang)。并且，在光网络的每个节点对中，允许多个光通路同时存在。在本研究中，所采用的光网络物理拓扑结构图（见表1）。在该结构中，包含了节点10个及双向链路16条，其中，具有波长转换功能的节点分别是节点4、5、7。该物理拓扑的波分成4、8、16三种光网络情况，并分别生成呼叫建立请求为710，从而完成数值模拟。图2光网络物理拓扑结构图图2即为3种波长可变光网络的平均单波长呼叫强度韩和网络阻塞率之间的相互关系，主要是通过数值模拟得出。由该图可知，当单波长呼叫强度处于一致时，波分16的光网络和波分8的光网络、波分4的光网络相比，网络阻塞率相对较低。譬如：假设单波长呼叫强度为25Erlang/波长，波分16的光网络所对应的网络阻塞率为3105.2，波分8的光网络所对应的网络阻塞率为21056.1，波分4的光网络所对应的网络阻塞率为1107.1；假设单波长呼叫强度为20Erlang/波长，波分16的光网络所对应的网络阻塞率为4108.1，波分8的光网络所对应的网络阻塞率为3105.3，波分4的光网络所对应的网络阻塞率为2109.9。造成这一结果主要是由于波长转换技术的使用，使波长一致性的限制得到消除，使网络阻塞性能得到改善，提高波长资源的有效利用率。与此同时，单波长呼叫强度的持续降低，3种波分的网络阻塞率都发生了明显变化，急剧降低；与之相反的是单波长呼叫强度的增加，使网络阻塞率将不断升高。由此可见，波长一致性限制是造成阻塞现象的重要因素，在呼叫强度降低时，其波长一致性限制加大。因此，波长转换技术的应用至关重要，才能有效提高波长资源利用率。此外，在波长资源有限的情况下，另一个造成阻塞现象的重要因素则是波长资源不足，当呼叫强度增加后，波长资源不能满足其需要，通过引入波长转换技术，也只能在较小程度上提高波长利用率。图3单波长呼叫强度与网络阻塞率关系示意图图4所示为在相同条件下，比较和分析动态RWA算法与固定路由串行算法。在固定路由串行算法中，主要是通过将REA问题转化为两个问题进行分析，在选择与波长分配两个子问题中，该算法在处理呼叫请求之前，为各节点对选择了最短路由，然后通过波长转换器将波长转换，并且在这一过程中，随机对空闲波长进行挑选，最大限度接收呼叫建立请求。由图4中可知，基于分层图模型的动态RWA算法的充分利用，使其与波长相匹配，计算得出的网络阻塞率要比固定路由器串行算法计算得出网络阻塞率低。假设波长呼叫强度为20Erlang/波长，通过动态RWA算法的数值模拟所得出的阻塞率约为1/10，明显低于固定路由串行算法计算所得的0.34。不难看出，基于分层图模型的动态RWA算法性能更具优势。图4动态RWA算法与固定路由串行算法比较分析图结束语综上所述，在光网络通信中，RWA问题已经成为了DWDM系统中的主要研究问题。本文针对该问题原有的解决方法，结合分层图模型，提出了波长可变光网络中的动态RWA算法。该算法不仅兼具完成路由选择与波长分配两项极为重要的任务，还能有效提高波长资源的利用率、降低网络阻塞率，其效果远远高于固定路由串行算法。并且，本文通过计算机模拟，使该算法的效果得到了进一步证明。参考文献[1]吴润泽,汪波涛,唐良瑞，等.新型ICT网络中的一种动态路由波长分配算法[J].电力系统保护与控制.2010(22):48-51.[2]单广军,朱光喜,刘德明，等.基于关键链路预测的动态路由和波长分配算法[J].电子学报.2010,38(7):1673-1677.[3]唐寅，秦开宇，王国义，等.一种用于光通信网络质量保障的保护路由算法[J].电子质量.2010(6):39-41.[4]赵继军，王丽荣，纪越峰,等.基于损伤感知的动态RWA算法性能比较研究[J].电子与信息学报.2010(3):655-659.[5]冯雪,庞尚珍.DWDM网络中的动态RWA算法研究[J].数字技术与应用.2010(7):120.[6]许昌,常会友,徐俊.ASON网中具有分布估计特征的动态RWA算法[J].小型微型计算机系统.2010(12):2418-2421.[7]赵太飞,冯艳玲,柯熙政,等.“日盲”紫外光通信网络中节点覆盖范围研究[J].光学学报.2010(8):2229-2235.[8]唐寅,秦开宇,王国义,等.一种用于光通信网络质量保障的保护路由算法[J].电子质量.2010(6):39-41.[9]杜书,张盛峰,彭云峰,等.WDM光网络中节能的1∶1保护路由波长分配算法研究[J].光电子激光.2011,22(7):1003-1006.[10]梁建武，易辉，刘超.动态RWA算法的一种改进与实现[J].微计算机信息.2011,27(12):120-122.[11]刘晓敏，丁凡，赵长啸，等.基于多令牌协议航电WDM光环网波长分配方法[J].航空学报.2012,33(5):879-885.[12]孙文胜，景勇祥.基于精英蚂蚁算法的动态路由和波长分配研究[J].电子器件.2013,36(2):274-277.[13]沈越，沈启东，周祖荣.光通信网络接入端口采用智能识别方法的研究[J].电信科学.2013,29(7):72-77.[14]崔振字.IPv6在光通信网络中的应用研究[J].中国科技纵横.2013(9):35.[15]菊海峰.电力系统ASON光通信网络保护和恢复机制[J].贵州电力技术.2013(1):46-47.[16]吴朝烨，左勇，范成，等.紫外光通信网络中MAC层功率控制研究[J].光通信研究.2013(6):28-31.