張鳳杰 代碧波 楊曉明

（1.遼寧軌道交通職業(yè)學院，遼寧沈陽110023；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

地下礦山智能開采是未來礦山發(fā)展的重要方向，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)采集信息的有效、流暢、高速、高質(zhì)量傳輸是確保地下礦山智能采礦的關鍵環(huán)節(jié)。由于地下礦山環(huán)境特殊、開拓采準工程復雜，普通的公共通訊系統(tǒng)無法滿足地下礦山高質(zhì)量通訊要求。特別是隨著礦山信息化的發(fā)展，越來越多的智能采礦機械設備、六大監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息需要高質(zhì)量、快速地傳輸至中央控制室，導致大量的數(shù)據(jù)流量涌入了網(wǎng)絡中，特別是 5G［1-3］、井下物聯(lián)網(wǎng)［4-6］等新興通訊技術的興起，更是給礦山帶來了多樣化的信息服務，把礦山生產(chǎn)推向了大數(shù)據(jù)時代［7-9］。礦山大數(shù)據(jù)的誕生進一步促進了礦山通訊網(wǎng)絡的發(fā)展，同時也對地下礦山數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求，因此如何能夠以低成本、低延遲和高速率的方式為地下礦山采集數(shù)據(jù)的交換、傳輸提供網(wǎng)絡支持十分關鍵。波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）［10-11］技術已經(jīng)被廣泛地應用在現(xiàn)有的光網(wǎng)絡中。WDM光網(wǎng)絡中的頻譜被劃分為固定粒度的波長，通過選擇合適的光路徑以及分配恰當?shù)牟ㄩL來提供大容量的業(yè)務傳輸。與此同時，使用OpenFlow協(xié)議的軟件定義網(wǎng)絡（Software-defined Networking，SDN）［12-13］，使用集中控制器來控制網(wǎng)絡。SDN通過將控制平面與底層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離來打破來自礦山不同監(jiān)測點信息傳遞垂直方向的僵化問題，促進了對網(wǎng)絡流量的靈活集中和細粒度分支點控制，并為井下智能設備的接口信息傳遞提供可編程性、自動化以及網(wǎng)絡的控制能力。因此，SDN與WDM光網(wǎng)絡的結合［14］能夠提供可定制化、高效的井下礦山信息通訊網(wǎng)絡應用服務。

雖然波分復用WDM網(wǎng)絡中的波長粒度是單一的，但是它也帶來了一定的優(yōu)勢：不會產(chǎn)生類似于正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）［15-16］光網(wǎng)絡中的頻譜碎片。然而，WDM同樣面臨著如何構建大容量的虛擬網(wǎng)絡的問題。實現(xiàn)這一目標的前提是能夠?qū)崟r獲得WDM網(wǎng)絡中的波長使用情況，因此，地下礦山光網(wǎng)絡建設通過使用集中控制而不是分布式方式，這需要研究大容量的路由與波長分配（Routing and Wavelength Assignment，RWA）算法，實現(xiàn)地下礦山采集數(shù)據(jù)信息的低成本、低延遲和高速率傳輸。

1 網(wǎng)絡模型

在SDN網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡設備僅負責數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，控制策略在邏輯集中的控制器中實現(xiàn)。OpenFlow通常被定義為開放標準協(xié)議，在SDN中能夠在控制平面和數(shù)據(jù)平面之間提供通信接口。受益于集中控制機制和數(shù)據(jù)平面白盒化趨勢，OpenFlow可以對整個網(wǎng)絡進行編程，實現(xiàn)地下礦山不同分支網(wǎng)絡光交換節(jié)點的虛擬化，例如，將帶寬可變光交叉連接（Bandwidthvariable Optical Cross-connect，BV-OXC）和邊緣路由器（Edge Router，ER）抽象為通用功能集，并根據(jù)數(shù)據(jù)流來解釋這些功能，即可以基于流表來識別、表征和操縱數(shù)據(jù)。

軟件定義的WDM光網(wǎng)絡可以被描述成一個無向圖G(V,E)，其中V代表BV-OXC的集合，E為連接BV-OXC雙向光纖鏈路的集合。其中，每一條光纖鏈路最多能夠容納B的帶寬，以GHz為單位，并且光譜被分成W個波長。例如，波分復用WDM網(wǎng)絡中一個波長信道的固定粒度為Bλ=50 GHz，那么可以通過得到W。為了支持高動態(tài)流量，BV-OXC支持光—電—光（Optical-to-electrical-to-optical，O/E/O）轉(zhuǎn)換，即將光域信號轉(zhuǎn)換到電域來進行操作，操作之后再轉(zhuǎn)換成光域信號來傳輸。因此，可以在光路中的兩個不同鏈路之間的中間節(jié)點處執(zhí)行O/E/O轉(zhuǎn)換，進行波長轉(zhuǎn)換。業(yè)務請求由3元組模型r(s,d,b),?r∈R表示，其中s為源節(jié)點，d為目的節(jié)點，而b表示W(wǎng)DM業(yè)務請求的容量需求。在WDM光網(wǎng)絡中，所有業(yè)務請求具有相同的帶寬需求，即一個波長的帶寬需求，b=OC_1。此外，一些變量定義如下：λ代表一個光纖鏈路中波長的索引號，其中?λ∈[1,W]。：一個二進制變量，如果服務請求r被映射在了底層光路徑p上，其值等于1；否則，取值為0。：一個二進制變量，如果服務請求r消耗了底層光纖鏈路e上的波長λ，其等于1；否則，取值為0。：一個二進制變量，如果服務請求r訂閱了WDM網(wǎng)絡中的光纖鏈路e，其值等于1；否則，取值為0。

2 優(yōu)化目標

首先對于地下礦山光網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)，需要定義光纖鏈路的容量為c(u,v)，并且f(u,v)是從節(jié)點u到節(jié)點v通過光纖鏈路的總流量之和。因此，鏈路的剩余容量為cf(u,v)=c(u,v)-f(u,v)。給定一個網(wǎng)絡G*(V*,E*)和一個流f，則由f所誘導的圖G*的殘存網(wǎng)絡為，其中，應只包含剩余容量大于0的邊：。

對于WDM光網(wǎng)絡，由于引入了O/E/O轉(zhuǎn)換，因此可以忽略波長一致性的約束。所以，優(yōu)化目標是最小化阻塞率，如式（1）所示。目標函數(shù)中的第一項是最小化所用波長的索引號，第二項則盡可能減少了O/E/O轉(zhuǎn)換的總次數(shù)。除滿足式（2）至式（4）約束外，還應滿足式（5）至式（10）的流守恒相關約束。

路徑選擇唯一性約束：

一個業(yè)務請求只能選擇一條光路來進行數(shù)據(jù)的傳輸，因此式（2）約束了一個業(yè)務請求r只能選擇一條光路p。

波長唯一性約束為

式（3）反映出光纖鏈路e中一次只能有一個波長λ可以用于服務業(yè)務請求r。

波長總?cè)萘考s束為

式（4）表示光纖鏈路上的最大業(yè)務需求數(shù)量受波長總數(shù)的限制。

鏈路容量約束為

式（5）確保通過光纖鏈路的總流量小于或等于鏈路容量。

中間節(jié)點流量守恒約束為

式（6）確保了每個中間節(jié)點上的輸入和輸出流的數(shù)量相等。

源節(jié)點的輸入流量約束為

該式確保源節(jié)點的輸入流的數(shù)量等于0。

目的節(jié)點的輸出流量約束為

該式確保了目的節(jié)點的輸出流的數(shù)量等于0。

收發(fā)兩端的流量相等約束為

該式可確保來自源節(jié)點的輸出流的數(shù)量等于到目的節(jié)點的輸入流的數(shù)量。

3 數(shù)值仿真結果與分析

針對某地下礦山部署廣泛的波分復用WDM光網(wǎng)絡，數(shù)值仿真對比分析了3種大容量的路由與波長分配RWA算法，分別是最大容量優(yōu)先算法（Maximize Capacity First，MCF）、最短距離優(yōu)先（Shortest Distance First，SDF）算法和最大容量/跳數(shù)優(yōu)先（Maximize Capacity-over-hops First，MCHF）算法。拓撲采用NSFNET網(wǎng)絡拓撲，每條光纖鏈路中設置40個波長，每個波長占用50 GHz的頻譜寬度。所有固定粒度業(yè)務請求的源節(jié)點與目的節(jié)點被隨機產(chǎn)生，并且具有相同的帶寬需求，即一個波長。此外，網(wǎng)絡支持二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK），正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK），8進制正交幅度調(diào)制（8-ary Quadrature Amplitude Modulation，8-QAM）和16-QAM 4種調(diào)制格式。高等級的調(diào)制格式具有短的傳輸距離，而長距離的傳輸可以選擇低等級的調(diào)制格式，例如：BPSK的傳輸距離可以達到3 000 km以上，而16-QAM最大的傳輸距離不超過700 km。雖然，高等級的調(diào)制格式傳輸距離短，但是它具有較高的頻譜效率。

圖1統(tǒng)計了網(wǎng)絡阻塞率隨業(yè)務請求數(shù)的變化情況。隨著地下礦山分支網(wǎng)絡業(yè)務請求數(shù)的增加，網(wǎng)絡的阻塞率也隨之增加，并且MCHF算法較MCF和SDF算法有最低的阻塞率。當分支網(wǎng)絡業(yè)務請求數(shù)為600時，MCHF算法的阻塞率為0，而MCF和SDF算法的阻塞率分別為0.036 6和0.046 6。因此，可以明顯看出，與MCF和SDF算法比較，MCHF算法具有很強的業(yè)務承載能力。

3種算法的平均傳輸距離如圖2所示。由圖2可知：平均傳輸距離隨著業(yè)務請求數(shù)的增加而減小。平均傳輸距離逐漸減小的原因是隨著分支網(wǎng)絡業(yè)務請求數(shù)的線性增大，阻塞率逐漸增大，造成總傳輸距離增長緩慢，進而使總傳輸距離與總業(yè)務數(shù)的比值逐漸減小。由于SDF算法總是選擇最短距離的路徑，在3種算法中，SDF算法具有最小的平均傳輸距離。

圖3和圖4分別記錄了3種算法的平均頻譜效率和平均O/E/O轉(zhuǎn)換次數(shù)。在3種算法中，MCHF算法擁有最高的平均頻譜效率，本研究將頻譜效率定義為波長容量除以波長帶寬，單位為bps/Hz。采用BPSK調(diào)制格式的波長容量是100 Gbps，而一個波長的帶寬是50 GHz，因此，采用BPSK調(diào)制格式的波長頻譜效率為2 bps/Hz。從而可以推導出采用QPSK、8-QAM和16-QAM調(diào)制格式的頻譜效率分別是4、6和8 bps/Hz。由圖4可以看出，MCHF算法具有最低的O/E/O轉(zhuǎn)換次數(shù)，不同鏈路使用不同的波長傳輸同一個網(wǎng)絡業(yè)務需要在中間節(jié)點發(fā)生一次O/E/O波長轉(zhuǎn)換。綜合分析可知，雖然最短距離路徑可以使用較高等級的調(diào)制格式，帶來高利用率的頻譜效率，但當?shù)叵碌V山光網(wǎng)絡采集數(shù)據(jù)信息量較大時，容易出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，造成網(wǎng)絡負載分布不均衡。MCHF算法可以在保證更大網(wǎng)絡容納量的同時，實現(xiàn)理想均衡的傳輸距離，從而帶來更大的平均頻譜效率和更小的O/E/O轉(zhuǎn)換次數(shù)。

4 結 語

為實現(xiàn)地下礦山復雜通訊光網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定、高效傳輸，基于軟件定義波分復用WDM光網(wǎng)絡架構設計了MCHF大容量路由與波長分配算法，相較于SDF和MCF算法，MCHF算法具有較低的阻塞率。因此，采用地下礦山中央主控網(wǎng)絡傳輸，既能滿足地下礦山采集的大數(shù)據(jù)信息承載能力和網(wǎng)絡頻譜資源的利用效率，同時保證所采集的大數(shù)據(jù)信息低成本、低延遲和高速率傳輸，同時證實了所設計的大容量路由與波長分配算法的可行性與有效性。此外，MCHF算法擁有較高的平均頻譜效率和較低的平均O/E/O轉(zhuǎn)換次數(shù)，在提高網(wǎng)絡頻譜資源利用率的同時能夠減少端到端的傳輸時延。