魏 勇 ，王旭蕊，趙 煒，孟 顯，袁欣雨

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司 信息通信分公司，石家莊 050021； 2. 天津大學(xué)，天津 300072)

0 引 言

彈性光網(wǎng)絡(luò)被視為下一代光傳輸網(wǎng)絡(luò)主流解決方案[1-4]。彈性光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特性是用更精細(xì)的頻譜隙(Frequency Slot，F(xiàn)S)代替固定的信道間隔，因此光信道可以根據(jù)實(shí)際需要跨越不同數(shù)量的FS[5-6]。

隨著光網(wǎng)絡(luò)容量的發(fā)展，任何故障引起的網(wǎng)絡(luò)中斷都會(huì)造成嚴(yán)重的后果。例如2017年亞馬遜的云網(wǎng)絡(luò)在短短5小時(shí)內(nèi)發(fā)生故障，造成1.5億美元的損失。因此，在規(guī)劃光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)中，必須考慮鏈路故障時(shí)的網(wǎng)絡(luò)生存性策略[7]。然而，現(xiàn)有的研究工作并未考慮對(duì)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)提供差異化的保護(hù)。在通信網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)質(zhì)服務(wù)(Premium Service，PS)業(yè)務(wù)占比較少，大部分是常規(guī)業(yè)務(wù)，即盡力而為(Best Effort, BE)的業(yè)務(wù)[8]。PS業(yè)務(wù)通常要求傳輸層提供快速保護(hù)，而BE業(yè)務(wù)則可在發(fā)生故障時(shí)丟棄。傳統(tǒng)方法對(duì)這兩種類型的業(yè)務(wù)都采用相同的保護(hù)策略，造成資源過(guò)度配置。

本文提出一種基于業(yè)務(wù)感知和診斷的共享鏈路保護(hù)策略，為服務(wù)質(zhì)量等級(jí)不同的業(yè)務(wù)提供差異化保護(hù)服務(wù)以提高頻譜利用率。

1 研究現(xiàn)狀

專用路徑1+1保護(hù)策略在實(shí)踐中最早被廣泛應(yīng)用。該保護(hù)策略具有較短的恢復(fù)時(shí)間和高可靠性，但需要消耗大量的頻譜資源[9]。文獻(xiàn)[10]中提出了基于帶寬壓縮的專用路徑保護(hù)整數(shù)線性規(guī)劃(Integer Linear Programming, ILP)模型，將帶寬壓縮技術(shù)用于專用路徑頻譜資源，在保證可靠性的前提下可有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)頻譜資源。由于相同波長(zhǎng)的工作和保護(hù)路徑之間共享一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，保護(hù)通道的頻譜資源依然不允許共享，增加了網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)開銷；為了減少專用路徑保護(hù)策略所消耗的頻譜資源,文獻(xiàn)[11]提出了一種業(yè)務(wù)和功率感知的路由方案，根據(jù)每小時(shí)的業(yè)務(wù)情況調(diào)整保護(hù)路徑速率；文獻(xiàn)[12]在保護(hù)路徑中引入了信號(hào)重疊技術(shù)，該技術(shù)將兩個(gè)信號(hào)疊加在一起，以提高頻譜效率，但需要對(duì)兩個(gè)重疊信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的功率控制；文獻(xiàn)[13]提出了一種靈活的區(qū)分保護(hù)機(jī)制，可以在不同的路徑保護(hù)方案(如無(wú)保護(hù)、共享路徑保護(hù)和1+1保護(hù))之間進(jìn)行切換，以適應(yīng)不同的服務(wù)可用性。

2 業(yè)務(wù)感知的優(yōu)先共享鏈路保護(hù)策略

根據(jù)通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)，本文提出了基于業(yè)務(wù)感知的優(yōu)先共享鏈路保護(hù)策略。

2.1 區(qū)分業(yè)務(wù)

常用的光轉(zhuǎn)發(fā)器無(wú)法區(qū)分業(yè)務(wù)類型,而柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器可以區(qū)分PS和BE業(yè)務(wù)。因?yàn)槿嵝怨廪D(zhuǎn)發(fā)器中的光電調(diào)制器采用偏振分多路復(fù)用-正交相移鍵控(Polarization Division Multiplex Quadrature Phase Shift Keying，PDM-QPSK)，可以復(fù)用多個(gè)業(yè)務(wù)。因此，柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)的權(quán)重提供差異化的頻率分配，從而提高共享保護(hù)鏈路的頻譜效率。

2.2 基于柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器的共享鏈路保護(hù)方案

假設(shè)在一個(gè)波長(zhǎng)上有5個(gè)FS，其中，兩個(gè)FS被用于傳輸BE業(yè)務(wù)，3個(gè)FS被用于傳輸PS業(yè)務(wù)。如圖1所示，當(dāng)檢測(cè)到光纖斷開時(shí)，工作路徑1中使用的載波波長(zhǎng)(激光器1)被切換到保護(hù)路徑兩中的另一波長(zhǎng)(激光器2)，而2個(gè)FS的BE業(yè)務(wù)被丟棄。

圖1 柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器工作示意圖

波長(zhǎng)的變化會(huì)觸發(fā)柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)部的被動(dòng)重路由，無(wú)需重新配置波長(zhǎng)選擇開關(guān)，恢復(fù)時(shí)間保持在幾十毫秒內(nèi)。而常規(guī)波長(zhǎng)選擇開關(guān)的重新配置對(duì)于單個(gè)信道來(lái)說(shuō)至少需要1 s，對(duì)于所有信道來(lái)說(shuō)需要幾秒[14]。

2.3 區(qū)分業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的差異化保護(hù)方案

在優(yōu)先共享鏈路保護(hù)策略的基礎(chǔ)上，本文提出了一種差異化保護(hù)方案，其核心工作機(jī)制流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)先共享鏈路保護(hù)策略的流程圖

(1) 獲取通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)包括通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作鏈路、頻譜帶寬和柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器的配置信息。

(2) 判斷工作鏈路是否正常。在正常情況下，柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器處于工作鏈路；在檢測(cè)到鏈路故障后，柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器切換至共享保護(hù)鏈路。

(3) 獲取網(wǎng)絡(luò)故障后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各條鏈路的頻譜使用狀態(tài)。

(4) 根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和請(qǐng)求頻率，重排業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

(5) 重新配置柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器。由于柔性光轉(zhuǎn)發(fā)器是以更高精細(xì)度的FS而不是信道切換，因此高優(yōu)先級(jí)的PS業(yè)務(wù)可以快速配置到共享保護(hù)鏈路中的保護(hù)信道。在這個(gè)切換過(guò)程中，光轉(zhuǎn)發(fā)器以較低的波特率工作，節(jié)省共享保護(hù)鏈路的頻譜帶寬，降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率。

(6) 更新網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路的頻譜使用情況，返回(4)，為下個(gè)時(shí)刻的業(yè)務(wù)進(jìn)行共享保護(hù)信道的配置，直到所有業(yè)務(wù)請(qǐng)求都被處理完畢。

3 問(wèn)題描述

通過(guò)在彈性光網(wǎng)絡(luò)中引入業(yè)務(wù)感知保護(hù)策略，最大限度地提高頻譜利用效益，本文提出了具有業(yè)務(wù)感知保護(hù)模型。該模型以物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)需求集合和優(yōu)質(zhì)業(yè)務(wù)量占比為約束條件，以最小化頻譜利用率為目標(biāo)，給出了具有保護(hù)業(yè)務(wù)區(qū)分的最優(yōu)路由和頻譜分配。

3.1 網(wǎng)絡(luò)定義

網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)涠x為G={V,E,D},式中，V為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的集合，V={v1,v2,v3,…}；E為所有光纖鏈路的集合，E={e1,e2,e3,…}，光纖鏈路為雙向傳輸，|E|為網(wǎng)絡(luò)鏈路的總數(shù)；D={d1,d2,d3,…}為業(yè)務(wù)集合，|D|為網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的總數(shù)；第d個(gè)業(yè)務(wù)為d(s,r,c)，s為起始節(jié)點(diǎn)，r為目的節(jié)點(diǎn)，c為業(yè)務(wù)d的信道數(shù)。

3.2 ILP模型

優(yōu)化目標(biāo)：

式(1)的目標(biāo)是最小化頻譜使用數(shù)量。式中：δe,f為布爾型變量，如果光鏈路e上FSf被占用，則δe,f為1，否則δe,f為0；F={f1,f2,f3,…}為光鏈路中FS集合。假設(shè)所有的鏈路中具有相同的FS數(shù)。

約束條件：

式(2)和(3)確保了業(yè)務(wù)集合D={d1，d2，d3，…}中的每一個(gè)業(yè)務(wù)的工作和保護(hù)信道不重疊。鏈路上任何一個(gè)信道只能用作一個(gè)業(yè)務(wù)的工作或保護(hù)信道，以避免不同業(yè)務(wù)之間的沖突。

與傳統(tǒng)的保護(hù)方式不同，由于網(wǎng)絡(luò)具有業(yè)務(wù)感知的保護(hù)策略，根據(jù)業(yè)務(wù)保護(hù)量的比例，網(wǎng)絡(luò)中保護(hù)FS少于工作FS的數(shù)量，可靈活調(diào)整保護(hù)FS的數(shù)量。

“十二五”時(shí)期，我國(guó)面臨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的緊迫任務(wù)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)該走在前列.經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)在國(guó)內(nèi)直至國(guó)際上具有一定影響力的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將如何發(fā)展，是這些地區(qū)面臨的問(wèn)題.梳理發(fā)展傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的理論基礎(chǔ)，借鑒國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，分析傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，有利于厘清我國(guó)特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展趨向.

式(4)和(5)保證每一個(gè)業(yè)務(wù)從起始點(diǎn)到目的點(diǎn)過(guò)程中找到所需的工作和保護(hù)信道。

式(6)規(guī)定了工作和保護(hù)信道間的鏈路分離條件。

式中，wc，f為一個(gè)布爾型變量，如果信道c包含f，則wc，f為1，否則為0。式(7)給出了FS唯一性的約束條件。

式中，γf也是一個(gè)開關(guān)變量，如果f被占用，則γf為1，否則為0。式(8)是FS占用的定義。

本文采用CPLEX 軟件求解上述ILP模型。CPLEX軟件是目前世界上頂尖的求解線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃和某些非線性規(guī)劃的軟件。CPLEX設(shè)計(jì)的理念是在最小的用戶介入下快速地求解大型復(fù)雜問(wèn)題[15]。求解步驟如下：

步驟1：將節(jié)點(diǎn)、鏈路和工作信道等參數(shù)，目標(biāo)函數(shù)和約束條件輸入到CPLEX軟件的cplexmilp求解器中，并對(duì)業(yè)務(wù)需求以工作信道和保護(hù)信道為軸線的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化；

步驟2：對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進(jìn)行初始化并適當(dāng)調(diào)整其大小，將業(yè)務(wù)d的初始下邊界值設(shè)置成d0，以CPLEX對(duì)模型進(jìn)行求解；

步驟3：當(dāng)模型的求解過(guò)程完成后，得到的結(jié)果就是最優(yōu)解，之后轉(zhuǎn)到步驟5；當(dāng)不存在可行解時(shí)，則轉(zhuǎn)到步驟4；

步驟4：對(duì)業(yè)務(wù)d的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，再將此參數(shù)加1后，繼續(xù)實(shí)施求解計(jì)算；

步驟5：求解成功后得到的結(jié)果就是最優(yōu)解，跳轉(zhuǎn)到步驟6；如果不存在可行解，則跳轉(zhuǎn)到步驟4，以此完成模型的第一次求解過(guò)程；

步驟6：輸出最優(yōu)解，算法結(jié)束。

4 仿真結(jié)果及性能分析

為了評(píng)估業(yè)務(wù)感知保護(hù)策略的性能，本文采用COST239網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(該網(wǎng)絡(luò)包含11個(gè)節(jié)點(diǎn)和52條單向光纖鏈路)進(jìn)行數(shù)值仿真評(píng)估，如圖3所示。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流量為均勻流量，在網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)之間隨機(jī)發(fā)起業(yè)務(wù)。

仿真中模擬了高、中和低負(fù)載3種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。其中，在低負(fù)載業(yè)務(wù)場(chǎng)景中隨機(jī)初始化有15個(gè)業(yè)務(wù)的需求；在中負(fù)載業(yè)務(wù)場(chǎng)景中隨機(jī)初始化有30個(gè)業(yè)務(wù)的需求；在高負(fù)載業(yè)務(wù)場(chǎng)景中隨機(jī)初始化有45個(gè)業(yè)務(wù)的需求。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)容量是無(wú)限的，因此，所有的業(yè)務(wù)需求都得到滿足。

圖3 COST239網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

如表1所示，采用偏振復(fù)用正交相移鍵控(Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying，PM-QPSK)調(diào)制格式，其光信號(hào)傳輸受限距離約為3 500 km，可滿足各類型業(yè)務(wù)需求而不受鏈路物理距離的限制。

表1 基于PM-QPSK調(diào)制的業(yè)務(wù)感知保護(hù)策略

根據(jù)不同業(yè)務(wù)負(fù)載程度，對(duì)不同的業(yè)務(wù)保護(hù)策略進(jìn)行仿真分析。表2所示為平均頻譜利用率的仿真結(jié)果。整體而言，無(wú)論在何種負(fù)載情況下，減少業(yè)務(wù)保護(hù)量的比例都可減少FS的使用數(shù)。由表2可知，從傳統(tǒng)情況下的1+1保護(hù)下降到1+0.75保護(hù)可以顯著節(jié)省頻譜資源。但從1+0.5保護(hù)下降到1+0.25保護(hù)的頻譜節(jié)省效率不如從1+1保護(hù)下降到1+0.75保護(hù)。這說(shuō)明保護(hù)量和頻譜使用量是一個(gè)復(fù)雜關(guān)系，下面將進(jìn)一步分析。

表2 不同業(yè)務(wù)感知保護(hù)策略下的平均FS使用數(shù)

圖4所示為在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下，業(yè)務(wù)感知保護(hù)策略和傳統(tǒng)1+1保護(hù)策略的相對(duì)頻譜節(jié)省率。由圖可知，當(dāng)采用1+0.75保護(hù)策略時(shí)，在低負(fù)載業(yè)務(wù)場(chǎng)景和中負(fù)載業(yè)務(wù)場(chǎng)景可獲得更大的頻譜資源節(jié)省率。當(dāng)采用1+0.5保護(hù)和1+0.25保護(hù)策略時(shí)，低負(fù)載業(yè)務(wù)場(chǎng)景下比中、高負(fù)載場(chǎng)景下更有效果，其相對(duì)節(jié)省率均在7%以上。特別地，在低負(fù)載業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，采用1+0.25保護(hù)策略，可以獲得高達(dá)38%的頻譜資源節(jié)省率。

圖4 相對(duì)頻譜節(jié)省率

圖5～7分別對(duì)低、中以及高負(fù)載情況下，20個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)序內(nèi)的FS使用量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

圖5 低負(fù)載情況下不同保護(hù)策略的FS使用量

圖6 中負(fù)載情況下不同保護(hù)策略的FS使用量

圖7 高負(fù)載情況下不同保護(hù)策略的FS使用量

圖5所示為低負(fù)載場(chǎng)景下FS使用量。整體而言，頻譜平均使用量隨著保護(hù)量的降低(從1+1保護(hù)降低到1+0.75保護(hù)，更進(jìn)一步降低到1+0.5保護(hù))而降低，但是，這種節(jié)省并不總是成立。例如，當(dāng)策略從1+0.5下降到1+0.25時(shí)，業(yè)務(wù)3～5和業(yè)務(wù)11的FS使用量并沒有節(jié)省。在如圖6所示的中負(fù)載場(chǎng)景下以及如圖7所示的高負(fù)載場(chǎng)景下，也能得到相似的結(jié)論。原因是，本文所提區(qū)分服務(wù)的共享鏈路保護(hù)算法在數(shù)學(xué)模型上是一個(gè)ILP問(wèn)題。而ILP問(wèn)題已經(jīng)被證明無(wú)法在多項(xiàng)式級(jí)時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)求得最優(yōu)解。因此，本文通過(guò)CPLEX軟件求解的FS分配解不一定是最優(yōu)解，導(dǎo)致無(wú)法確保隨著保護(hù)量的降低，F(xiàn)S使用量也一定降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于傳統(tǒng)的1+1保護(hù)策略，本文提出一種基于業(yè)務(wù)感知和診斷的共享鏈路保護(hù)策略，對(duì)PS和BE業(yè)務(wù)提供差異化保護(hù)服務(wù)。本文所提的差異化保護(hù)策略可以提升頻譜利用率、減少網(wǎng)絡(luò)擁塞和運(yùn)營(yíng)成本。