彈性光網(wǎng)絡(luò)中支持虛級(jí)聯(lián)的頻譜分配算法

馮海燕，沈建華

（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，南京210003）

彈性光網(wǎng)絡(luò)中支持虛級(jí)聯(lián)的頻譜分配算法

馮海燕，沈建華

（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，南京210003）

由于將虛擬級(jí)聯(lián)技術(shù)引入彈性光網(wǎng)絡(luò)可以提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，同時(shí)也由于不同調(diào)制格式下光通道需要的頻譜資源不同，文章針對(duì)C O-O FD M彈性光網(wǎng)絡(luò)提出了一種支持子頻帶虛擬級(jí)聯(lián)的自適應(yīng)調(diào)制頻譜分配算法。理論分析和仿真結(jié)果表明，該算法能夠有效提高頻譜資源利用率，降低網(wǎng)絡(luò)的平均業(yè)務(wù)阻塞率。

彈性光網(wǎng)絡(luò)；虛級(jí)聯(lián)；自適應(yīng)調(diào)制；頻譜分配；業(yè)務(wù)阻塞率

0 引言

以交互式多媒體和云計(jì)算等高帶寬服務(wù)為代表的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速增加，使得傳統(tǒng)的波分復(fù)用（WDM）光網(wǎng)絡(luò)難以適應(yīng)快速變化的海量信息傳輸。彈性光網(wǎng)絡(luò)（Elastic Optical Network,EON）具有頻譜柵格粒度可變、支持光通道頻譜部分重疊等優(yōu)勢(shì)，極大地提高了頻譜資源的利用率[1]。EON中為更好地提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，可以借鑒傳統(tǒng)的SDH/MSTP網(wǎng)絡(luò)中的虛級(jí)聯(lián)（Virtual Concatenation,VCAT)技術(shù)，即子頻帶虛擬級(jí)聯(lián)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)證明該方案可以有效地上提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率[2]。Yuan等人研究了VCAT技術(shù)在EON中對(duì)于靜態(tài)選路和頻譜分配的作用，發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度的增加，VCAT能夠進(jìn)一步增加頻譜利用率[3]。G.X.Shen分別建立了彈性光網(wǎng)絡(luò)中有無(wú)頻譜轉(zhuǎn)換器的兩種ILP模型，并將VCAT技術(shù)運(yùn)用到這兩種模型中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)用VCAT的模型能夠有效降低光路阻塞率，同時(shí)基于VCAT技術(shù)將一個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的帶寬均勻分配到多條路徑上傳輸具有最佳性能[4]。Cai等人發(fā)現(xiàn)VCAT子頻帶的粒度越小，即一個(gè)子頻帶中的子載波數(shù)越少，對(duì)應(yīng)傳輸?shù)穆窂綌?shù)增加，光路阻塞率越低[5]。

總地來(lái)看，已經(jīng)提出的針對(duì)EON虛擬級(jí)聯(lián)的文獻(xiàn)大多假設(shè)每條光路上業(yè)務(wù)請(qǐng)求的頻隙數(shù)相同且采用單一調(diào)制方式，這與實(shí)際情況中差異化的業(yè)務(wù)請(qǐng)求所需光路的不等頻隙數(shù)間存在較大差異。另一方面，即使業(yè)務(wù)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)光路的速率固定，也可以根據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸距離采用不同的調(diào)制方式，這種基于自適應(yīng)調(diào)制的頻譜分配機(jī)制可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率（因?yàn)楦唠A的調(diào)制方式所需要的頻隙數(shù)更少）。顯然，將VCAT技術(shù)與基于自適應(yīng)調(diào)制的靈活頻譜分配機(jī)制進(jìn)行結(jié)合，對(duì)于EON提高頻譜效率和降低業(yè)務(wù)阻塞率具有非常重要的作用。本文正是基于上述技術(shù)背景，針對(duì)CO-OFDM EOC提出了一種支持子頻帶虛擬級(jí)聯(lián)的自適應(yīng)調(diào)制頻譜分配算法。

1 算法工作原理

本文提出的改進(jìn)算法基本思想是根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求速率及對(duì)應(yīng)的傳輸路徑選擇所需帶寬最少的調(diào)制格式，運(yùn)用VCAT技術(shù)將所需帶寬對(duì)應(yīng)的頻隙數(shù)在不同路徑上傳輸，達(dá)到頻譜利用率的最大化以及光路阻塞率最小化的目標(biāo)。本文提出的算法中，自適應(yīng)調(diào)制的頻譜分配機(jī)制中考慮了路徑長(zhǎng)度與最佳調(diào)制方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中所使用的調(diào)制方式包括了EON中最常見(jiàn)的BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM和64QAM等，每種調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的最大傳輸距離是通過(guò)考慮了物理層因素 （如OSNR）之后得到的。BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM和64QAM對(duì)應(yīng)的最大傳輸距離分別為9600、4800、2400、1200、600和300km[6]。

每個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的連續(xù)可用頻隙數(shù)的頻隙可以根據(jù)以下公式計(jì)算得出：

式(1)中：Ci為第i個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的速率；Fslot為一個(gè)頻隙固定占用的頻寬 （假設(shè)為12.5GHz）；bi取值范圍為{32,16,8,4,2,1}，根據(jù)次最短徑的距離選擇bi的值；Si為第i個(gè)請(qǐng)求所需的總頻隙數(shù)；D為次最短徑的距離（km）。

基于子頻帶虛擬級(jí)聯(lián)技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)制頻譜分配算法的偽代碼如下：

計(jì)算源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑和次最短路徑，且該兩條路徑無(wú)重合鏈路；

計(jì)算該請(qǐng)求所需的光通道最大傳輸距離對(duì)應(yīng)的最佳調(diào)制格式；

根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求速率和最佳調(diào)制方式計(jì)算出所需頻隙數(shù)；

if(采用VCAT技術(shù)及首次匹配算法將總頻隙數(shù)均勻分配到兩條傳輸路徑中,有滿足條件的頻隙)

圖1為一個(gè)應(yīng)用基于VCAT的自適應(yīng)調(diào)制頻譜分配算法的示意圖，其中節(jié)點(diǎn)1是源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)6是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)改進(jìn)的D算法可以獲得兩條可用路徑：最短路徑為1→2→4→6；次最短路徑為1→3→5→6。假設(shè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求速率為300Gb/s，次最短徑的長(zhǎng)度為2000km，則bi=4，可選用的調(diào)制方式為8QAM，所需的頻隙數(shù)為6，相比于相同請(qǐng)求速率下采用BPSK所需的24個(gè)頻隙降低了3/4。然后，采用VCAT技術(shù)和首次匹配算法將6個(gè)頻隙數(shù)均勻分配到兩條傳輸路徑，其中每條路徑傳輸3個(gè)頻隙。若兩條路徑上有滿足連續(xù)3個(gè)頻隙，則請(qǐng)求成功；否則，阻塞。

圖1 自適應(yīng)調(diào)制的頻譜分配算法示例

2 仿真和結(jié)果分析

仿真中使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇?4個(gè)節(jié)點(diǎn)、21條鏈路的NSFNET。假設(shè)每根光纖中的總頻譜寬度為4THz，取Fslot=12.5GHz作為一個(gè)頻率隙的大小，因而共有320個(gè)頻隙，其中保護(hù)頻帶占2個(gè)頻隙[7]。仿真考察的性能是網(wǎng)絡(luò)的平均業(yè)務(wù)阻塞率，定義為網(wǎng)絡(luò)中被阻塞的業(yè)務(wù)速率之和占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)總的業(yè)務(wù)速率之和。仿真中網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)請(qǐng)求隨機(jī)產(chǎn)生，業(yè)務(wù)速率在50～300Gb/s間隨機(jī)取值。圖2為NSFNET網(wǎng)絡(luò)平均阻塞率比較。

圖2 NSFNET網(wǎng)絡(luò)平均阻塞率比較

仿真結(jié)果表明，VCAT技術(shù)與自適應(yīng)調(diào)制方式的結(jié)合使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均業(yè)務(wù)阻塞率最低。當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載為300Erl時(shí)，采用VCAT技術(shù)結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制方式的網(wǎng)絡(luò)平均業(yè)務(wù)阻塞率的量級(jí)為10-3，而采用VCAT的單一調(diào)制方式的網(wǎng)絡(luò)平均業(yè)務(wù)阻塞率的量級(jí)為1，前者的阻塞率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上我們提出的基于子頻帶虛擬級(jí)聯(lián)技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)制頻譜分配算法考慮了通道調(diào)制格式與光通道最大傳輸距離的關(guān)系，在滿足業(yè)務(wù)能夠傳輸?shù)幕A(chǔ)上選擇最佳的調(diào)制格式。同時(shí)，結(jié)合VCAT技術(shù)使得業(yè)務(wù)請(qǐng)求的帶寬均勻分配到多條路徑中傳輸，提高了頻譜資源的利用率，從而進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)的平均阻塞率。

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[2]KOZICKI B,TAKARA H,TSUKISHIMA Y,et al.Optical path aggregation for 1-Tb/s transmission in spectrum-sliced elastic optical path network[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2010,22(17):1315-1317.

[3]YUAN Xin,SHEN Gangxiang.How Much Can Sub-band Virtual Concatenation(VCAT)Help Static Routing and Spectrum Assignment in Elastic Optical Networks?(Invited)[C].Communication Systems(ICCS),2014, Macau China:IEEE,2014:273-277.

[4]SHEN Gangxiang,CAI Anliang,PENG Limei.Benefits of Sub-Band Virtual Concatenation(VCAT)in CO-OFDM Optical Networks[C]. Transparent Optical Networks(ICTON),2012,14th International Conference on IEEE.Coventry England:IEEE,2012.

[5]CAI Anliang,PENG Limei,SHEN Gangxiang.Sub-band Virtual Concatenation Lightpath Blocking Performance Evaluation for CO-OFDM Optical Networks[C].Communications and Photonics Conference(ACP), 2012 Asia.Guangzhou China:IEEE,2012.

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[7]LóPEZ VIZCAíNO J,YE Y,TAFUR MONROY I.Energy efficiency analysis for flexible-grid OFDM-based optical networks[J].Computer Networks,2012,56(10):2400-2419.

VCAT supported adaptive modulation and
spectrum allocation algorithm for elastic optical networks

FENG Hai-yan,SHEN Jian-hua
(School of Communications and Information Engineering,NJUPT,Nanjing 210003,China)

The introduction of traditional Virtual Concatenation(VCAT)technology into Elastic Optical Network(EON)has been proved significantly improving of network capacity utilization.A VCAT supported adaptive modulation and spectrum allocation algorithm for EON is proposed.Theoretical analysis and numerical simulation results show that the algorithm can effectively improve the spectrum resource utilization and reduce the average rate of the network traffic blocking.

elastic optical network,VCAT,adaptive modulation,spectrum allocation,network blocking probability

TN929.11

A

1002-5561（2016）02-0005-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.002

2015-11-11。

馮海燕（1990-），女，碩士研究生，主要從事彈性光網(wǎng)絡(luò)頻譜分配和流量疏導(dǎo)的研究。