基于損傷感知的動(dòng)態(tài)RWA算法性能比較研究

1、基于損傷感知的動(dòng)態(tài) RWA 算法性能比較研究趙繼軍 王麗榮 紀(jì)越峰 徐大雄 (河北工程大學(xué)信電學(xué)院 邯鄲 056038 (邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 邯鄲 056001 (北京郵電大學(xué)光通信與光波技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100876摘 要:從光網(wǎng)絡(luò)向透明架構(gòu)的演進(jìn)和面向業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)出發(fā),介紹了損傷感知的 RWA 問題的相關(guān)研究,通過 給經(jīng)典 RWA 算法增加對(duì)損傷效果的考慮,提出了具有損傷感知能力的動(dòng)態(tài) RWA 算法 (IBest, IFF , IPack 并進(jìn)行 了仿真驗(yàn)證, 結(jié)果表明在有損傷的環(huán)境下具有損傷感知能力的動(dòng)態(tài) RWA 算法既能保持經(jīng)典算法的優(yōu)勢(shì)又在阻塞率 上具有優(yōu)于經(jīng)典算法的性能。

2、關(guān)鍵詞:透明光網(wǎng)絡(luò);物理損傷;損傷感知的路由與波長分配A Performance Comparison Study ofImpairment-Aware Dynamic RWA AlgorithmsZhao Ji-jun Wang Li-rong Ji Yue-feng Xu Da-xiong (School of Information & Electronic Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China (Handan Polytechnic College, Handan 056001, C

3、hina (Key Laboratory of Optical Communication and Lightwave Technologies of the Ministry of Education,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China Abstract : Set out from the evolution to all-optical transparent infrastructure and to service-orient characteristic, the re

4、searches on impairment-aware routing and wavelength assignment algorithms are surveyed and analyzed. Three new dynamic impairment-aware routing and wavelength assignment algorithms (IBest, IFF, IPackare proposed through increasing the consideration of physical impairments effect on classic routing a

5、nd wavelength assignment algorithms. The results from simulation show that the proposed algorithms both can maintain its competitive edge from corresponding classic ones and are superior to the classic ones in blocking probability in realistic circumstance with impairments.Key words: Transparent net

6、work; Physical impairment; Impairment-aware Routing and Wavelength Assignment(IRWA1引言近年來,光網(wǎng)絡(luò)日漸向全光透明架構(gòu)演進(jìn)。在 透明網(wǎng)絡(luò)中,光信號(hào)從源節(jié)點(diǎn)穿過光路到達(dá)目的節(jié) 點(diǎn)的整個(gè)過程都處于光域, 無需光 -電 -光轉(zhuǎn)換。 由于 沒有電再生器,全光網(wǎng)絡(luò)能以較低的開銷提供巨大 的帶寬,能夠無需考慮信號(hào)格式有效傳送各種類型 的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。然而,同樣由于沒有電再生器,由構(gòu) 成光路的非理想光器件和設(shè)備引入的物理損傷將沿 光路不斷累積,造成了信號(hào)失真和噪聲。光網(wǎng)絡(luò)中 的損傷一般分為線性損傷和非線性損傷。線性損傷 與信號(hào)能

7、量無關(guān),獨(dú)立地影響波長,重要的線性損2009-03-02收到, 2009-07-21改回河北省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目 (2008110資助課題通信作者:趙繼軍 zhaojijun 傷 有 放 大 自 發(fā) 輻 射 噪 聲 (Amplified Spontaneous Emission , ASE 、偏振模色散 (Polarization Mode Dispersion , PMD ,光器件串?dāng)_ (crosstalk等。非 線性損傷要復(fù)雜得多,它們不僅損傷通道,還產(chǎn)生 通道間的串?dāng)_。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的物理損傷效果嚴(yán)重時(shí), 會(huì)顯著地降低光信號(hào)的質(zhì)量,以至于接收端的誤碼 率很高,難以滿足所傳輸業(yè)務(wù)的質(zhì)量需求。損傷

8、的多樣性、復(fù)雜性挑戰(zhàn)著光網(wǎng)絡(luò)路由選擇 和波長分配 (Routing and Wavelength Assignment, RWA 問題的解決。 RWA 在波分復(fù)用 (Wavelength- Division Multiplexing, WDM光網(wǎng)絡(luò)中是一項(xiàng)關(guān)鍵 的組網(wǎng)技術(shù),它將在有業(yè)務(wù)連接請(qǐng)求時(shí),完成網(wǎng)絡(luò) 資源的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、按需分配, RWA 對(duì)于業(yè)務(wù)的支 撐處于核心地位。在光網(wǎng)絡(luò)向全光透明架構(gòu)演進(jìn)的 背景下,基于損傷感知的選路和波長分配656 電 子 與 信 息 學(xué) 報(bào) 第 32卷(Impairment-aware RWA, IRWA問題逐漸成為了 在光網(wǎng)絡(luò)新的發(fā)展趨勢(shì)下的熱點(diǎn)問題,對(duì)這方面

9、的 研究正在逐漸展開和深入,已有大量文獻(xiàn) 17 在進(jìn) 行 IRWA 算法的研究。 文獻(xiàn) 1,2將 ASE 和其它多種損 傷 的 效果 折 合為光信噪比 (Optical Signal Noise Rate, OSNR的減少,為業(yè)務(wù)尋找最大化 OSNR 的 路徑。 文獻(xiàn) 3采用 PMD-OSNR 模型, 節(jié)點(diǎn)及放大器 噪聲,節(jié)點(diǎn)串?dāng)_等損傷效果通過 OSNR 指標(biāo)反映, 若某光路目的端的 OSNR 超過預(yù)定的門限值,且能 夠滿足 PMD 對(duì)光路的約束, 則為可用光路。 文獻(xiàn) 4,5都把損傷效果折合為 Q 值 (Q -factor 的減小運(yùn)用于 RWA 算法的設(shè)計(jì)中。 文獻(xiàn) 6提出了具有路徑保護(hù)能

10、力的 IRWA 算法, 對(duì)損傷的考慮主要是減小串?dāng)_的影 響。由上可知,這些文獻(xiàn)一般采用分析模型計(jì)算候 選光路某相應(yīng)的物理層性能參量以確定該光路是否 能滿足連接需求,通常以某種損傷的效果最小為優(yōu) 化目標(biāo)或以某損傷效果指標(biāo)在接收端能否達(dá)到預(yù)定 的門限值作為光路是否可用的判斷標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)可以 看到, 在 IRWA 算法的研究中一般需要建立用于估計(jì) 損傷累積效果的物理層模型,文獻(xiàn)中采用的物理層 模型通常存在計(jì)算復(fù)雜的問題,而文獻(xiàn) 7提出的把 多種損傷效果折合為 OSNR 的減少的方法,計(jì)算較 為簡單。電信市場(chǎng)由“技術(shù)驅(qū)動(dòng)”向“業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)”的演 進(jìn) 推 動(dòng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 發(fā) 展 越 來 越 關(guān) 注 業(yè) 務(wù) 質(zhì)

11、 量 需 求 (Quality of Service, QoS,在 RWA 算法的設(shè)計(jì)中應(yīng) 當(dāng)充分考慮業(yè)務(wù)傳送質(zhì)量需求,力求為用戶提供信 號(hào)質(zhì)量有保證的傳輸服務(wù)。經(jīng)典 RWA 算法通常假定 光網(wǎng)絡(luò)是理想的,光信號(hào)質(zhì)量充足,一般以占用的 網(wǎng)絡(luò)資源最少或負(fù)載平衡為目標(biāo),由于沒有考慮物 理損傷效果,當(dāng)用于有損傷的非理想的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán) 境時(shí)將受到很大的限制。在本文的研究中將把經(jīng)典 RWA 算法 (Best, FF , Pack 放到有損傷的環(huán)境里重 新審視,通過增加對(duì)損傷效果的考慮 (采用文獻(xiàn) 7的方法計(jì)算損傷效果 , 以期達(dá)到既能保證信號(hào)質(zhì)量 又能夠保持該算法原有優(yōu)勢(shì)的目的,使其適用于有 損傷的非理想

12、的現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。2算法描述2.1 物理損傷模型由于幾乎所有損傷的效果都會(huì)在誤碼率 (Bit Error Rate, BER 指標(biāo)上有所體現(xiàn),因此可以將其 作為一個(gè)用于評(píng)價(jià)信號(hào)質(zhì)量的基本指標(biāo)。由于 BER 不能夠直接即時(shí)得到,而通過一個(gè)中間參量 Q 值, BER 與 OSNR 之間有一定的近似關(guān)系,因此,可以 通過要求接收端的 OSNR 不低于一個(gè)門限值來保證 BER 需求。實(shí)際上這個(gè)門限值的大小還依賴于多種 因素,僅使用 OSNR 作為限制條件來評(píng)價(jià)信號(hào)質(zhì)量 也許是不夠的,但至少 OSNR 需求應(yīng)當(dāng)被滿足。 在有光放大器的傳輸系統(tǒng)中,當(dāng)輸入功率低于 光纖非線性閾值時(shí) (一般系統(tǒng)都滿足 ,系統(tǒng)誤

13、碼性 能主要取決于 OSNR , 這意味著以 OSNR 為指標(biāo)做出 系統(tǒng)的全部的光預(yù)算將是適當(dāng)可行的。文獻(xiàn) 7提出 的 OSNR 模型將多種損傷 (如 ASE 、偏振相關(guān)損耗 (Polarization Dependent Loss, PDL 、通路不一致 性 (Channel Uniformity, CU 產(chǎn)生的效果折合成 OSNR 減少量,可以沿光路計(jì)算聯(lián)合的潛在損傷效 果在鏈路的輸出端應(yīng)當(dāng)被考慮的實(shí)際的最小的 OSNR 值是考慮 CU 和 PDL 的最差情形下的值,即Min OUT CU PDLOSNR = OSNROSNR OSNR (1 式 中 OUTOSNR 是 由 于 光 放 大

14、 器 的 級(jí) 聯(lián) 導(dǎo) 致 的 OSNR 的減少, CUOSNR 是 CU 產(chǎn)生的效果折合成的 OSNR 減少量, PDLOSNR 是 PDL 產(chǎn)生的效果折合成 的 OSNR 減少量。其中, OUTOSNR 的計(jì)算可參考下 面的公式 7:( ( in11in22inNF 10lgOUTNF 10lg NF 10lg1010OSNR 10lg 101010rr N N rP hP h P h = + "(2 式中 in1P , in2P , in NP 是光放大器或光網(wǎng)元的輸入端的通道能量 (dBm,1NF , 2NF , NF N 是光放大 器或光網(wǎng)元的噪聲系數(shù) (dB, h 是普朗克

15、常數(shù), 是所使用波長的頻率,r是參考帶寬; PDL 是由于偏 振狀態(tài)相對(duì)所有偏振狀態(tài)的變化導(dǎo)致的最大插入損 傷變化。本文中 CUOSNR 將取其平均值 Mean PDL為 i1/22PDLi (3 其中 PDL i 是第 i 個(gè)光器件的 PDL 值; CU 是通道插入 損失或光網(wǎng)元增益的最大和最小值之差,在端到端 光路上其最大值為Max 12CU = CUCU CUn+" (4 式中 1CU , 2CU , CU n 分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的光網(wǎng)元的 CU 數(shù)值。本文中將 CU 所帶來的 OSNR 的減少量取為最 大值 MaxCU 的一半。當(dāng)光路輸出端的 Min OSNR 大于 預(yù)定的 OSN

16、R 門限值時(shí),就認(rèn)為相應(yīng)的光路的信號(hào) 質(zhì)量能夠滿足業(yè)務(wù)的 BER 需求, 該光路可用; 反之, 認(rèn)為光路的信號(hào)質(zhì)量不能夠滿足業(yè)務(wù)需求,光路不第 3期 趙繼軍等:基于損傷感知的動(dòng)態(tài) RWA 算法性能比較研究 657可用。2.2 算法描述Best 算法、 FF 算法、 Pack 算法是 3種工作在網(wǎng)絡(luò)分層圖 (Layered Graph, LG上的經(jīng)典 RWA 算法。 分層圖模型 LG(N , L , W 是將物理拓?fù)?G (N , L , W 轉(zhuǎn)化為 |W|個(gè)互不相鄰的子圖, 其中 N , L , W 分別表示網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)集合、雙向鏈路集合、波長集合,每個(gè)子圖對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的波長 i (= 1,2,

17、|i W" ,稱為波長平面。物理拓?fù)渲械逆溌飞系臎]有被使用的波長映射為波長平面 i 中的波長通道鏈路。選路時(shí), Best 算法從所有的波長平面中選擇最短的可用的路 徑, FF 算法將波長平面按波長大小排序,依次搜索 各波長平面直至找到可用光路, Pack 算法盡量利用 利用率較高的波長平面建立光路。 這 3種算法各具優(yōu) 勢(shì):Best 算法占用的網(wǎng)絡(luò)資源最少, FF 算法具有復(fù) 雜度低的優(yōu)點(diǎn), Pack 算法為承載未來的業(yè)務(wù)預(yù)留了 更多的波長平面。然而,由于沒有考慮物理損傷效 果,當(dāng)把它們用于有損傷的非理想的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 時(shí)將受到很大的限制, 在本文中將把這 3種經(jīng)典算法 (Best算

18、法、 FF 算法、 Pack 算法 通過增加損傷驗(yàn)證 使其成為具有損傷感知能力的 RWA 算法。具有損傷感知能力的 RWA 算法首先利用經(jīng)典 RWA 算法從可用資源中選路 (對(duì)于損傷感知的 Best 算法 IBest 是在各波長平面計(jì)算所得的最短路徑中 找出其中最短的路徑, 對(duì)于損傷感知的 FF 算法 IFF 是按波長次序依次計(jì)算各波長平面上的最短路徑, 對(duì)于損傷感知的 Pack 算法 IPack 是將各波長平面按 可用鏈路數(shù)多少由少至多排序,依次計(jì)算各波長平 面的最短路徑 , 其次是計(jì)算該波長路徑上的物理損 傷,驗(yàn)證該光路上的信號(hào)至目的節(jié)點(diǎn)時(shí)其 OSNR 值 能否滿足最低需求,如能滿足需求則

19、使用該光路建 立連接,否則換下一條光路驗(yàn)證其物理損傷情況, 見圖 1。1:for i = 1, , C do2:確定各波長平面上的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?即在各波長平面上 僅相應(yīng)的波長 i 可用的鏈路是連通的3:按照預(yù)先確定的策略 (Best , FF , Pack 為光路建立請(qǐng)求選擇一條光路 4: 計(jì)算光路至目的端的 OSNR 值 5:if 該光路的 OSNR 值超過預(yù)定的門限值 then 6:標(biāo)記該光路為可用的7:end if8:end for9:return 選定的光路圖 1 具有損傷感知能力的動(dòng)態(tài) RWA 算法 3仿真及分析本文對(duì)所提算法進(jìn)行了仿真。 仿真采用 USA 拓 撲, 如圖 2所示。 鏈路

20、旁的數(shù)字表示相應(yīng)鏈路長度, 光放大器的放置間隔為 82 km。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖 3所 示。 它是具有上下路功能和放大器的光交叉連接器。 假設(shè)所有鏈路是雙向的,每鏈路包括 8個(gè)波長,節(jié) 點(diǎn)無波長轉(zhuǎn)換能力, 呼叫請(qǐng)求均勻分布在節(jié)點(diǎn)對(duì)間, 按泊松過程到達(dá)網(wǎng)絡(luò),持續(xù)時(shí)間服從指數(shù)分布,仿 真中用到的其它參數(shù)見表 1。圖 2 USA拓?fù)鋱D 3 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) (具有上下路功能和放大器的光交叉連接器 表 1仿真所用參量比特率 10 GbpsOSNR 門限值 21dBSSMF 衰減 0.2dB/km DCF 衰減 0.5dB/km 鏈路放大器噪聲系數(shù) 7 7dB節(jié)點(diǎn)噪聲系數(shù) 7 20dB節(jié)點(diǎn)通路不一致性 7 3dB光放

21、大器輸出功率 1dBm節(jié)點(diǎn) PDL 7 1.5dB 復(fù)用或解復(fù)用器 PDL 7 0.25dB鏈路放大器 PDL 7 0.5dB鏈路通路不一致性 7 2dB658 電 子 與 信 息 學(xué) 報(bào) 第 32卷仿真結(jié)果見圖 4-圖 7。通過這些圖可以看到, 在有損傷的環(huán)境下, IRWA 算法相比于經(jīng)典 RWA 算 法在阻塞率上都有較優(yōu)的表現(xiàn),其中, IFF 算法和 IPack 算法阻塞率降低顯著, 在負(fù)載為 30erlang 時(shí), 阻塞率降低分別達(dá)到 94%和 95%,而 IBest 算法阻 塞率降低較小為 34%。 這是因?yàn)?Best 算法在所有可 用資源中尋找跳數(shù)最小的路徑,而跳數(shù)小一般意味 著經(jīng)過

22、的光路較短,經(jīng)過的鏈路光放大器和節(jié)點(diǎn)數(shù) 都少,在有損傷的環(huán)境中由它們所帶來的 OSNR 減 小量也較小,因此 IBest 算法相比于經(jīng)典 Best 算法 在阻塞率指標(biāo)上降低較小。和 Best 算法相比, FF 算法和 Pack 算法的選路思想使得它們?cè)谶x路過程 中選到跳數(shù)較大的路徑的幾率更大,因此,在有損 傷的環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致 OSNR 值下降大。 IFF 算法和 IPack 算法在驗(yàn)證到第 1條光路質(zhì)量不滿足需求后, 會(huì)接著按次序驗(yàn)證其它波長平面上的光路,直至找 到質(zhì)量合格的光路或搜索完所有的波長平面,因此 它們帶來的阻塞率的降低很顯著。圖 7比較了各 IRWA 算法在 OSNR 門限值不同時(shí)的

23、表現(xiàn),從圖中 可看到 OSNR 門限值的降低明顯使阻塞率降低,這 是因?yàn)閷⒂懈嗟墓饴纺軌驖M足 OSNR 需求可用于 建立連接。經(jīng)典 FF 算法通常將波長平面按波長升序或降 序排序,盡量選用序號(hào)在前的波長平面建立光路, 在有損傷的環(huán)境下將會(huì)由于有較多的光路使用相鄰 近的波長導(dǎo)致通道間串?dāng)_效果嚴(yán)重。在 IFF 算法中 可以采用最小化串?dāng)_的波長排序方法 8減小串?dāng)_效 果, 即首先選擇與任何已使用的波長不相鄰的波長, 其次選擇只有一邊與已使用波長相鄰的波長,邊緣 波長由于只有一邊與其它波長相鄰,應(yīng)當(dāng)首先被選 擇。對(duì)于有 8個(gè)波長的網(wǎng)絡(luò),波長排序應(yīng)為 1, 8, 4, 6, 3, 7, 2, 5,這樣

24、,只有當(dāng)半數(shù)波長通道被 使用后才有相鄰?fù)ǖ篱g的串?dāng)_發(fā)生。4結(jié)論光網(wǎng)絡(luò)向透明架構(gòu)的演進(jìn)使得光層物理損傷對(duì) 連接提供的影響日益顯現(xiàn)出來。經(jīng)典 RWA 算法用 于有損傷的非理想的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)由于沒有考慮 物理損傷效果將受到很大限制。通過給經(jīng)典 RWA 算法增加對(duì)損傷效果的考慮,本文提出了具有損傷 感知能力的動(dòng)態(tài) RWA 算法 (IBest, IFF , IPack 。 仿真結(jié)果表明,在有損傷的環(huán)境下具有損傷感知能 力的動(dòng)態(tài) RWA 算法既能保持經(jīng)典 RWA 算法的優(yōu)勢(shì) 又在阻塞率上具有優(yōu)于經(jīng)典算法的性能。在光網(wǎng)絡(luò) 面向業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)下,如何把動(dòng)態(tài) IRWA 算法與 光網(wǎng)絡(luò)智能性相結(jié)合以更加高效地為

25、業(yè)務(wù)提供信號(hào) 質(zhì)量有保證的傳輸將是我們下一步的研究方向。 圖 4 損傷感知的 Best 算法阻塞率 圖 5 損傷感知的 FF 算法阻塞率 圖 6 損傷感知的 Pack 算法阻塞率 圖 7 不同 OSNR 門限值的 IRWA 算法阻塞率比較第 3期 趙繼軍等:基于損傷感知的動(dòng)態(tài) RWA 算法性能比較研究 659參 考 文 獻(xiàn)1EB/oL http:/www. Springtrlink. com/content/q 74807842 v503p181, September 22, 2008 DOI: 10.1007/s11107-008-0178-2.2Cardillo R, Curri V, a

26、nd Mellia M. Considering transmission impairments in configuring wavelength routed optical networksC. Optical Fiber Communication Conference and the National Fiber Optic Engineers Conference, Anaheim, California, USA, Mar. 5-10, 2006.3Huang Yu-rong, Heritage J P, and Mukherjee B. Connection provisioning with transmission impairment consideration in optical WDM networks with high-speed channels J. Journal of Lightwave Technology, 2005, 23(3: 982-993.4Politi C, Matrakidis C, and Stavdas A, et al. Cross