空分复用弹性光网络中基于精确划分的频谱预分配方法
阅读说明：本技术 空分复用弹性光网络中基于精确划分的频谱预分配方法 (Frequency spectrum pre-allocation method based on accurate division in space division multiplexing elastic optical network ) 是由 袁俊岭 李健勇 孟颍辉 张启坤 郭梦飞 南思雨 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种空分复用弹性光网络中基于精确划分的频谱预分配方法,根据不同类型业务的比例和需要的频块尺寸,计算每种类型业务需要的精确的总频片数量；根据需要的精确总频片数量,在前C-1个核芯上为不同类型业务预分配频片,进而在第C个核芯上为不同类型业务预分配频片；为每种类型业务预分配的频片呈现：预分配的频片个数接近业务需要的精确总频片个数；为前I-1种类型业务预分配的频片刚好可以划分为整数个频块；为每种类型业务预分配的频片相对均衡地分布在不同的核芯上。本发明通过将链路上所有核芯上的频片预分配给不同类型的业务,使得预分配的频片个数与业务的需求相匹配、被浪费的频片个数尽量少、不同类型业务受到的串扰尽量均衡。(The invention provides a frequency spectrum pre-allocation method based on accurate division in a space division multiplexing elastic optical network, which calculates the accurate total number of frequency slices required by each type of service according to the proportion of different types of services and the required frequency block size; pre-allocating frequency slices for different types of services on the first C-1 cores according to the required accurate total number of frequency slices, and further pre-allocating frequency slices for different types of services on the C-th core; pre-allocated frequency slice presentation for each type of service: the number of pre-allocated frequency slices is close to the accurate total number of frequency slices required by the service; the frequency slice pre-allocated for the first I-1 type service can be just divided into an integer number of frequency blocks; the frequency slices pre-allocated for each type of traffic are distributed relatively evenly over the different cores. The invention pre-allocates the frequency slices on all the cores on the link to the services of different types, so that the pre-allocated frequency slices are matched with the requirements of the services, the number of the wasted frequency slices is as small as possible, and the crosstalk suffered by the services of different types is balanced as possible.)
技术领域
本发明涉及光网络的技术领域，尤其涉及一种空分复用弹性光网络中基于精确划分的频谱预分配方法。
背景技术
随着5G移动通信、云计算、边缘计算等技术的快速发展，网络中业务的带宽需求越来越高，带宽需求的差异性也越来越大。传统的基于波分复用技术光网络只能提供固定带宽的传输通道，因此无法满足业务的带宽差异性需求。弹性光网络(Elastic OpticalNetworks，EONs)是基于光正交频分复用技术的，可以借助于带宽可调的光转发器、带宽可调的光交叉连接器等设备，根据不同业务的带宽需求，灵活地为它们分配频谱资源，因此可以满足业务的带宽差异性需求。近年来，随着多芯光纤(Multi-Core Fiber)等空分复用技术的发展，空分复用弹性光网络(Space Division Multiplexing Elastic OpticalNetworks，SDM-EONs)的概念也被提了出来。在空分复用弹性光网络中，每条链路包含多个核芯，不同核芯上可以使用相同的频谱来传输信号，因此网络的带宽有了大幅度的提升。
在弹性光网络中，链路上的频谱资源一般被划分为频谱宽度相同、且远小于波分复用光网络中每个波长所占用频谱宽度的频片(Frequency Slice,FS)，每个业务可以使用多个相邻的频片。在空分复用弹性光网络中，每条链路包含多个核芯，每个核芯上的频谱资源被划分为频谱宽度相同的频片，每个业务可以使用同一个核芯上的多个相邻的频片、但不能跨核芯使用多个频片。与在弹性光网络中一样，在空分复用弹性光网络中为业务分配频谱资源时也要满足三个限制条件：频谱连续性、频谱邻接性、频谱不重叠性。这些限制导致空分复用弹性光网络中会出现频谱资源碎片化问题。另外，在空分复用弹性光网络中，在同一链路的不同核芯上传输的信号之间会相互干扰，因此会导致芯间串扰问题。碎片化问题和芯间串扰问题会影响频谱资源的有效使用，最终导致业务阻塞率的上升。
为了降低频谱资源的碎片化程度，学者们提出了将频谱资源预分配给不同类型业务的方法，比如空域划分(Spatial-Partition)方法、频域划分(Spectral-Partition)方法等。频谱预分配方法的基本思路是，根据网络中业务的类型，将链路上的频谱资源划分为多个部分，每部分中的频片预分配给一种类型的业务，这些频片被进一步划分为大小等于业务大小的频块，业务以频块为单位来使用为其预分配的频谱资源。这些频谱预分配方法可以降低频谱资源的碎片化程度，进而降低业务阻塞率，但是它们存在以下两方面的缺点：
(1)浪费的频片数量较多。在空分复用弹性光网络中，每个业务不能跨核芯使用多个频片。当在一个核芯上为一种类型的业务分配的频片个数不是业务尺寸的整数倍时，多出来的频片就会被浪费掉。如果不对预分配方式进行合理设计，在多个核芯上就会浪费较多的频片。
(2)不同类型业务受到的串扰不均衡。在空分复用弹性光网络中，链路上不同核芯受到的串扰是不同的，中间核芯受到的串扰较大，而边缘核芯受到的串扰较小。如果将中间核芯上的频片预分配给同一种类型的业务，则这种类型业务受到的串扰远大于其他类型业务受到的串扰。
因此，需要设计更加合理的频谱资源预分配方法，以实现在尽量少地浪费频片、且考虑串扰均衡性的情况下，完成频谱资源的预分配。
发明内容
针对现有预分配方法浪费的频片数量较多，受到芯间串扰不均衡的技术问题，本发明提出一种空分复用弹性光网络中基于精确划分的频谱预分配方法，根据不同类型业务的比例和需要的频块大小，计算每种业务需要的精确的总频片个数，然后按比例、并考虑可整除原则，将每个核芯上的频片分配给不同类型的业务；可以使得预分配的频片个数与业务的需求相匹配，使得被浪费的频片个数尽量少，并使得不同类型业务所受到的串扰尽量均衡。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种空分复用弹性光网络中基于精确划分的频谱预分配方法，其步骤如下：
步骤一：将业务类型按照每个连接请求需要的频片个数由多到少进行排序，记重新排序后各种类型业务的每个连接请求需要的频片个数为{N1,N2,…,NI}，则有N1＞N2＞…＞NI，计算第i种业务类型需要的精确的总频片个数
步骤二：记在第c个核芯上为第i种类型业务预分配的频片个数为Fc,i，计算在前C-1个核芯上为不同类型业务预分配的频片个数：
及
其中，c＝1,...,C，i＝1,...,I，C为每条链路的核芯个数，I为网络中的业务类型总个数，F为每个核芯上的频片个数；<r>modn为模n取整运算符，表示距离实数r最近的、整数n的倍数；Ni为第i种类型业务的连接请求需要的频片个数；
步骤三：计算在第C个核芯上为不同类型业务预分配的频片个数：
及
其中，为模n取下整运算符，表示不大于实数r的、整数n的最大倍数；
步骤四：将预分配给第i种类型业务的频片划分为大小为Ni的频块，i＝1,…,I-1，当第i种类型业务的连接请求到达时，以频块为单位使用为第i种业务预分配的频片。
所述计算第i种类型业务需要的精确的总频片个数为：
其中，{p1,p2,…,pI}分别为各种类型业务的频片个数{N1,N2,…,NI}对应的比例。
对于前I-1种类型业务，为其预分配的频片个数与其需要的精确总频片个数的差距不超过Ni，i＝1,...,I-1，而为第I种类型业务预分配的频片数量不小于其所需要的精确总频片个数。
为前I-1种类型业务预分配的频片刚好可以被划分成整数个包含Ni个频片的频块，其中i＝1,...,I-1；为第I种类型业务预分配的频片可能无法被划分为整数个包含NI个频片的频块，但在每个核芯上浪费的频片个数不超过NI-1。
与现有技术相比，本发明的有益效果：假设空分复用弹性光网络中每条链路上有C个核芯，每个核芯上有F个频片；假设网络中有I种类型的业务，根据不同类型业务的比例和需要的频块尺寸，计算每种类型业务需要的精确的总频片数量；根据需要的精确总频片数量，在前C-1个核芯上为不同类型业务预分配频片，进而在第C个核芯上为不同类型业务预分配频片；为每种类型业务预分配的频片呈现三个特点：1)预分配的频片个数接近业务需要的精确总频片个数；2)为前I-1种类型业务预分配的频片刚好可以划分为整数个频块；3)为每种类型业务预分配的频片相对均衡地分布在不同的核芯上。本发明通过将链路上所有核芯上的频片预分配给不同类型的业务，使得预分配的频片个数与业务的需求相匹配，使得被浪费的频片个数尽量少，并使得不同类型业务受到的串扰尽量均衡。
本发明根据每种类型业务需要的精确的频片个数，按比例、并考虑对频块尺寸的可整除性，将每个核芯上的频片分配给所有类型的业务。由于对应大部分类型业务，所分配的频片数量可以被频块尺寸整除，故此浪费的频片较少；又由于中间核芯上的频片被分配给了所有类型的业务，故此不同类型业务受到的串扰比较均衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明空分复用弹性光网络中链路上频谱资源的一个示例，链路由7芯光纤(Fiber)实现，即链路中有7个核芯(Core)，核芯1到核芯6在周围，核芯7在中间，故此核芯7所受到的串扰远大于其它核芯；每个核芯上的频谱资源被划分为320个频片。
图3为本发明将7芯光纤上所有核芯上的频谱资源预分配给三种类型业务的分配结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，实施例1，一种空分复用弹性光网络中基于精确划分的频谱预分配方法，其步骤如下：
步骤一：将业务类型按照每个连接请求需要的频片个数由多到少进行排序，记重新排序后各种类型业务的每个连接请求需要的频片个数为{N1,N2,…,NI}，则有N1＞N2＞…＞NI，计算第i种类型业务需要的精确的总频片个数：
其中，在空分复用弹性光网络中，C为每条链路的核芯个数，F为每个核芯上的频片个数，I为网络中的业务类型总个数；{p1,p2,…,pI}分别为各种类型业务的频片个数{N1,N2,…,NI}对应的比例。每种类型业务需要的精确总频片个数是正实数、但不一定是整数。
步骤二：记在第c个核芯上为第i种类型业务预分配的频片个数为Fc,i，其中c＝1,...,C，i＝1,...,I；依照下面公式计算在前C-1个核芯上为不同类型业务预分配的频片个数
及
其中，<r>mod n为模n取整运算符，表示距离实数r最近的、整数n的倍数。Ni为第i种类型业务的连接请求需要的频片个数。
步骤三：依照下面公式计算在第C个核芯上为不同类型业务预分配的频片个数：
及
其中，为模n取下整运算符，表示不大于实数r的、整数n的最大倍数。
步骤四：将预分配给第i种类型业务的频片划分为大小为Ni的频块，i＝1,...,I-1，当第i种类型业务的连接请求到达时，以频块为单位使用为第i种业务预分配的频片。
两组公式一块儿来看：
(1)不会浪费
对于前I-1种类型的业务，由于和都刚好是Ni的整数倍，所以在进一步划分为频块时，不会浪费任何频片。
对于第I种类型的业务，可能会产生浪费，最多会浪费NI个频片。但由于NI是所有Ni(i＝1,2,...,I)中最小的，因此所造成的浪费最少。
(2)所分得的频片个数与实际需要的频片个数接近
对于前I-1种类型的业务，其分得的频片个数为各个核芯上分得的频片个数之和，即
与的差值不超过Ni，因此是非常接近的。
对于第I种类型的业务，其分得的频片个数也等于各个核芯上分得的频片个数之和，即
由于频片总数C·F不变，前I-1种类型业务分得的频片个数都小于等于其实际需要的频片个数，故此最后一种类型业务分得的频片个数必定大于等于其实际需要的频片个数。
之所以这样分，是因为为第I种类型业务分配的频片可能会产生一定的浪费，因此在分配时对它进行了一定的补偿。
(3)串扰更公平
由于不同位置的核芯所受到的串扰是不一样的，中心位置的核芯受到的串扰最大。将每种类型业务所需要的频片比较均匀地分在不同的核芯上，这样使得不同类型业务的频片所受到的更加公平。
因此，本发明为每种类型业务预分配的频片个数与其需求相匹配，具体来说，对于前I-1种类型业务，为其预分配的频片个数与其需要的精确总频片个数的差距不超过Ni，i＝1,...,I-1，而为第I种类型业务预分配的频片数量不小于其所需要的精确总频片个数。
为不同类型业务预分配频片时浪费的频片较少，具体来说，为前I-1种类型业务预分配的频片刚好可以被划分成整数个包含Ni个频片的频块，不会产生浪费，为第I种类型业务预分配的频片可能无法被划分为整数个包含NI个频片的频块，从而产生一定的浪费，但在每个核芯上浪费的频片个数不超过NI-1。如果频片个数到达了NI个，则会形成一个频块，因此，浪费的频片个数最小为0、最大为NI-1。
为不同类型业务预分配的频片所受到的串扰相对均衡，具体来说，为每一种类型业务分配的频片相对均匀地分布在所有核芯上，并且这些频片是相对对齐的，这样可以使得核芯间串扰主要发生在分配给同一类型业务的频片之间，因此相对均衡。
实施例2，一种空分复用弹性光网络中基于精确划分的频谱预分配方法，结合图2所给出的链路资源情况，具体实施步骤为：
如图2所示是空分复用弹性光网络中链路上频谱资源的一个示例，每条链路包含7个核芯(Core)，周围6个核芯的编号分别为1到6，中间核芯的编号为7。每个核芯上传输的信号会受到相邻核芯上传输信号的影响，引起芯间串扰。分布在周围的每个核芯有三个相邻核芯，中间核芯却有六个相邻核芯，因此中间核芯受到的串扰要远大于分布在周围的核芯。每个核芯上使用相同的频谱资源，且频谱资源被划分为320个频片。每个业务可以使用一个核芯上的多个相邻频片，但不能跨核芯使用多个频片。
步骤一：图2所示空分复用弹性光网络中每条链路的核芯个数为7、每个核芯上的频片个数为320；假设网络中共有三种类型的业务，这三种业务的每个连接请求需要的频片个数为{15，7，3}，假设各种类型业务的比例分别为{30％，30％，40％}，由此可以计算出每种类型业务需要的精确总频片个数：
步骤二：在前6个核芯上为三种类型业务预分配频片，每种类型业务分得的频片个数分别为
步骤三：在第7个核芯上为三种类型业务预分配频片，每种类型业务分得的频片个数分别为
步骤四：将在各个核芯上为三类业务预分配的频片划分为对应尺寸的频块：
(1)在前六个核芯上，为前两种业务预分配的频片刚好可以划分为整数个频块，比如，为第一种类型业务预分配的210个频片刚好可以划分为210/15＝14个频块，为第二种类型业务预分配的77个频片刚好可以划分为77/7＝11个频块。为第三类业务预分配的频片可能无法刚好划分为整数个频块，此时会造成一定的浪费，但是在本实施例中，为第三种业务预分配的33个频片刚好可以划分为33/3＝11个频块。
(2)在最后一个核芯上，为前两种类型业务预分配的频片也刚好可以被划分为整数个频块，比如，为第一类业务预分配的225个频片可以被划分为225/15＝15个频块，为第二类业务预分配的56个频片可以被划分为56/7＝8个频块。为第三类业务预分配的频片可能无法刚好划分为整数个频块，此时会造成一定的浪费，但是在本例中，为第三类业务预分配的39个频片刚好可以划分为39/3＝13个频块。
为不同类型预分配的频片被划分为频块后的结果如图3所示，其中的B(15)、B(7)、B(3)分别表示包含15、7、3个频片的频块。需要解释的是，在最后一个核芯上为前两种业务预分配频片时，使用了模n取下整(而不是模n取整)运算，这可能会造成为前两类业务预分配的频片个数小于它们需要的精确总频片个数，而为最后一类业务预分配的频片数量大于它们需要的精确总频片个数。这样做的原因如下：在将频片划分为频块时，分配给前两类业务的频片刚好可以被划分为整数个频块，因而不会产生浪费；分配给最后一种类型业务的频片可能会因为无法划分为整数个频块而造成浪费，因此在可控的范围内对最后一种类型业务进行补偿。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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