基于能耗感知的路由與頻譜分配方法設(shè)計(jì)

1、學(xué)院(部)電子信息學(xué)院題 目基于能耗感知的路由與頻譜分配方法設(shè)計(jì)目錄摘要1ABSTRACT2第一章 緒論31.1頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r31.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀41.2.1國外研究現(xiàn)狀41.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀41.3論文結(jié)構(gòu)5第二章 頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中基于能耗感知的路由和頻譜分配算法62.1頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中的路由計(jì)算算法62.1.1最短路徑算法62.1.2 K條最短路徑算法72.2頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配算法82.2.1頻譜分配的約束條件92.2.2首次命中法102.3基于能耗感知的傳統(tǒng)與優(yōu)化路由和頻譜分配算法112.4小結(jié)15第三章 仿真與結(jié)果分析163.1 仿真條件的設(shè)置163.2仿真結(jié)果

2、與討論173.3小結(jié)19第四章 總結(jié)與展望21參考文獻(xiàn)22致謝24摘要伴隨著這些年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們之間的信息交流愈加頻繁，信息交流量急劇增加，帶寬需求量以一種不可抑制的速度增長。這對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的性能、規(guī)模和結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，同時(shí)未來網(wǎng)絡(luò)也面臨著高容量、低能耗等多方面的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)因?yàn)槠洹耙坏肚小钡墓潭Ｊ?，?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行阻塞嚴(yán)重、頻譜利用率低下；而頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)則可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求靈活地分配頻譜資源，從而降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率、提高頻譜利用率，在降低能耗方面也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。合理的路由與頻譜分配算法能夠大大提高網(wǎng)絡(luò)的生存能力、減少能耗，所以路由和頻譜分配算法的優(yōu)化對(duì)頻譜靈

3、活光網(wǎng)絡(luò)性能的提高十分重要。本文提出了2種路由和頻譜分配算法：最短路徑首次命中算法以及K條最短路徑首次命中算法。為了比較這兩種算法的優(yōu)劣性，將這2種算法在相同的條件下進(jìn)行仿真。仿真中，主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)阻塞率、平均能耗以及總能耗三個(gè)參數(shù)之間的對(duì)比。仿真結(jié)果表明，最短路徑首次命中法和K條最短路徑首次命中法各有長處。關(guān)鍵詞：頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò) 路由和頻譜分配算法 能耗24ABSTRACTWith the rapid evolution of Internet technology over the years, the communication among clients becomes increasi

4、ngly frequent and the amount of information increases dramatically. Also, the bandwidth demand has grown at an irrepressible speed. This puts forward higher requirements on the performance, scale, and structure of the future network. At the same time, the network is also faced with many challenges s

5、uch as high capacity and low energy consumption.The traditional wavelength division multiplexing optical network adopts a “one-size-fits-all” mode, resulting in high network congestion and low spectrum utilization. However, the spectrum flexible optical network can flexibly allocate spectrum resourc

6、es, reducing network blocking rate and improving spectrum utilization, which has significant advantages in reducing energy consumption as well. An intelligent and efficient routing and spectrum allocation algorithm can greatly improve the survivability of the network and reduce energy consumption, s

7、o the optimization of routing and spectrum allocation(RSA) is a key issue in spectrum-flexible optical networks.In this dissertation, we introduce two RSA algorithms, including the shortest path algorithm with the first-fit spectrum allocation (SP_FF) and the K shortest path algorithm with the first

8、-fit spectrum allocation (KSP_FF). For comparison, we simulate these routing and spectrum allocation algorithms in the same conditions. In the simulation, we focus on the comparison among the three parameters of network blocking rate, average energy consumption and total energy consumption. The simu

9、lation results show that the shortest path algorithm with the first-fit spectrum allocation and the K shortest path algorithm with the first-fit spectrum allocation both have their own advantages.Keywords: Spectrum flexible optical network，routing and spectrum allocation algorithm，the energy consump

10、tion 第1章 緒論隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的普及，高容量、易分配、低功耗必定會(huì)成為今后網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。其中，能源消耗是目前網(wǎng)絡(luò)信息傳輸所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一，也是近年來光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本章首先介紹了目前頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r和未來發(fā)展趨勢(shì)，然后介紹了近年來國內(nèi)外在光網(wǎng)絡(luò)阻塞率以及能效性方面的研究成果，最后對(duì)本論文的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的規(guī)劃。1.1頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r由于傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)在帶寬的調(diào)整、性能的調(diào)節(jié)以及網(wǎng)絡(luò)的控制等多方面已經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求，日本電信公司（NTT）在2008年九月首先提出一種新型網(wǎng)絡(luò)概念即頻譜切片彈性光網(wǎng)絡(luò)（SLICE）1，這種網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)具有新型、高頻譜效率和可擴(kuò)展

11、的特點(diǎn)，可以有效地解決傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)的問題，因此受到各國研究人員的廣泛關(guān)注并且迅速成為研究的重點(diǎn)。在美國，Gringeri S等人提出了關(guān)于FWDM網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)架構(gòu)，描述了FWDM網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D，以及業(yè)務(wù)在傳輸時(shí)所需要的相關(guān)技術(shù)2,3。與此同時(shí)，F(xiàn)inisar公司開展了一種名為Flex Grid的全光網(wǎng)項(xiàng)目，它基于全光網(wǎng)絡(luò)并且原理與頻譜靈活的全光網(wǎng)技術(shù)原理相近，同時(shí)側(cè)重于靈活柵格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)4預(yù)言該網(wǎng)絡(luò)必將成為未來骨干網(wǎng)的架構(gòu)基礎(chǔ)。而在歐盟，這方面研究的彈性光網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目是由Alcatel-Lucent Bell Lab和Oliver Rival聯(lián)合提出的5，這個(gè)項(xiàng)目通過讓網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)變得可調(diào)節(jié)，有效地

12、提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，降低網(wǎng)絡(luò)付出成本，并且可以使網(wǎng)絡(luò)變得更加高效節(jié)能。頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)相比具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。它的基本思想闡述如下：在客戶需求和實(shí)際業(yè)務(wù)量的基礎(chǔ)之上，動(dòng)態(tài)靈活地分配帶寬資源，不再限制通道間隔并實(shí)現(xiàn)全光交換；精細(xì)化的頻譜域分割與靈活的控制管理，從而提高頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率，提高各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的能源效率，推動(dòng)綠色發(fā)展。綜上所述，新興的頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)和組網(wǎng)技術(shù)是目前各專家及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研究熱點(diǎn)，它完全適應(yīng)了超大容量、綠色節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求。它具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又順應(yīng)了未來全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)以及社會(huì)的需求，是值得探究的發(fā)展方案，前景十分廣闊。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2

13、.1國外研究現(xiàn)狀由于傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)的缺陷以及能源的緊缺，國內(nèi)外的專家和學(xué)者很早就開始著手研究性能更加優(yōu)越的頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)。這些年來，頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)在能效性和頻譜資源分配優(yōu)化相關(guān)技術(shù)的發(fā)展得到了質(zhì)的飛躍。在能源效率方面，文獻(xiàn)6提出混合線路速率方法來減少IP over DWDM網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)器總數(shù)的功耗。文獻(xiàn)7的研究中了解了網(wǎng)絡(luò)連接中斷對(duì)于成本以及能源效率的影響，并且制訂了相關(guān)的升級(jí)策略來降低混合線路速率光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)成本和能耗。在文獻(xiàn)8中在分析位置距離對(duì)多粒度光網(wǎng)絡(luò)的影響后，提出了綠色節(jié)能的優(yōu)化方法，而這些設(shè)計(jì)方法的最終目標(biāo)是將功耗降到最低的程度并把光信號(hào)傳輸中的光學(xué)領(lǐng)域限制集中起來。在文獻(xiàn)9中，研究人

14、員考慮到最小化混合線路速率光網(wǎng)絡(luò)的總能耗的目標(biāo)，同時(shí)還解決了節(jié)能減損限制再生器放置問題。在頻譜資源分配優(yōu)化算法方面，通過運(yùn)用整數(shù)線性規(guī)劃算法和兩種啟發(fā)式算法來實(shí)現(xiàn)頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中的頻譜重構(gòu)，最終結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在使得受損的連接請(qǐng)求數(shù)目最少的條件下，網(wǎng)絡(luò)頻譜重構(gòu)能夠有效地去利用可用頻譜并降低頻譜碎片出現(xiàn)的概率10。文獻(xiàn)11提出了一種基于帶寬自適應(yīng)調(diào)制的動(dòng)態(tài)頻譜重構(gòu)算法，這種算法可以使得網(wǎng)絡(luò)阻塞率至少降低10%，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)性能。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的阻塞率和能源效率也得到了廣泛的關(guān)注，產(chǎn)生了不少研究成果。在文獻(xiàn)12中，學(xué)者們重點(diǎn)研究了在可生存光網(wǎng)絡(luò)

15、中通過可切換多流量轉(zhuǎn)發(fā)器和彈性再生器來來提高能效的問題：提出了整數(shù)線性規(guī)劃（ILP）模型和最小單位能量子矩陣映射方法，來盡可能地降低功耗和提高能源效率。文獻(xiàn)13為了通過聯(lián)合應(yīng)用光路旁路和路由卡睡眠策略來降低總能耗，提出了能源消耗較少的IP over WDM網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)14提出了基于可分片帶寬可變光轉(zhuǎn)發(fā)器（SBVT）的流量疏導(dǎo)整數(shù)線性規(guī)劃算法，驗(yàn)證了SBVT的可分片能力對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，最終結(jié)果顯示配有SBVT設(shè)備的流量疏導(dǎo)技術(shù)可以顯著地降低電疏導(dǎo)能耗，減少實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)器耗能器件成本。在路由和頻譜分配方面，文獻(xiàn)15里面提出了一種新的路由頻譜配置方法，這種配置方法在彈性光網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用了自適應(yīng)分配式

16、子載波的概念，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)鏈路節(jié)點(diǎn)之間自適應(yīng)地建立起一條或多條光路來進(jìn)行信息的傳遞，從而有效地降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，提高頻譜資源利用率。無論是國內(nèi)國外，如何提高能源效率、降低阻塞率一直都是光網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)。因此，從阻塞率和能源效率的角度來看，優(yōu)化的路由和頻譜分配算法就顯得格外重要。本文即是從這一方面出發(fā)，通過改善網(wǎng)絡(luò)路徑來提高能源利用效率、降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，探究更加有效的算法，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)性能。1.3論文結(jié)構(gòu)本篇論文主要工作安排如下：第一章主要先介紹了這些年來頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展概況和未來發(fā)展前景，然后介紹了國內(nèi)外在光網(wǎng)絡(luò)能效性以及頻譜資源分配優(yōu)化方面的優(yōu)秀研究成果，最后闡述了本論文的整體結(jié)構(gòu)。第

17、二章重點(diǎn)介紹了頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中的路由計(jì)算算法：最短路徑算法和K條最短路徑算法以及頻譜分配算法中的首次命中法。然后根據(jù)以上的算法分析，提出基于能耗感知的傳統(tǒng)與優(yōu)化路由和頻譜分配算法，以比較它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。第三章將之前提出的傳統(tǒng)與優(yōu)化的路由和頻譜分配算法在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行仿真，對(duì)比這2種算法在網(wǎng)絡(luò)阻塞率、總能耗和平均能耗三個(gè)參數(shù)的差別，分析它們的優(yōu)勢(shì)和不足之處，并考慮它們?cè)趯?shí)際生活中的應(yīng)用之處。第四章對(duì)本篇論文進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)與展望，并指出今后需要進(jìn)一步探究的工作。第2章 頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中基于能耗感知的路由和頻譜分配算法2.1頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中的路由計(jì)算算法在讀取連接請(qǐng)求的相關(guān)信息后，首先需

18、要從網(wǎng)絡(luò)中選取較為合適的路徑，這樣有利于降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率、提高能源利用率。這一節(jié)介紹的網(wǎng)絡(luò)的路由計(jì)算算法有最短路徑算法和K條最短路徑算法。2.1.1最短路徑算法最短路徑算法運(yùn)用的最主要的算法是Dijkstra算法，根據(jù)連接請(qǐng)求的源宿節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中通過依次計(jì)算路徑長度選取最短的路徑。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D（如圖2.1所示，圖中各數(shù)值為兩節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值并且是雙向路徑）中根據(jù)每個(gè)連接請(qǐng)求的源點(diǎn)和宿點(diǎn)，利用Dijkstra算法計(jì)算出最短的路徑。圖2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D根據(jù)圖2.1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，使用Dijkstra算法計(jì)算最短路徑描述如下：假設(shè)選取源點(diǎn)為A, A到各節(jié)點(diǎn)（B、C、D、E和F）的直接路徑長度依次為1、2、

19、和（如圖2.2所示）。首先選出與A距離最小的一點(diǎn)B（距離為1），查找B到其他各點(diǎn)的距離，將其與1相加得到A與各點(diǎn)的距離，并與原有的距離數(shù)據(jù)相比較，實(shí)時(shí)更新（取較小的值）；在除去B之外取與A距離最小的一點(diǎn)C（距離為2），查找C與其他各點(diǎn)的距離，將其與2相加得到A與各點(diǎn)的距離，并且與原有的數(shù)據(jù)相比較，去較小的距離值進(jìn)行更新；重復(fù)進(jìn)行以上的操作，直到D、F、E都被使用過為止，這樣就可以得到A到其余所有節(jié)點(diǎn)的最短距離。因此，在圖2.1中，假設(shè)連接請(qǐng)求的源點(diǎn)為A、宿點(diǎn)為F，通過上述方法計(jì)算可以得到最短路徑為A-B-D-F。圖2.2 最短路徑算法2.1.2 K條最短路徑算法K條最短路徑算法（KSP算法）的

20、基礎(chǔ)是最短路徑算法，以犧牲路徑的長度來降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率，即先計(jì)算得到多條較短的路徑作為備用，當(dāng)最短的路徑發(fā)生阻塞時(shí)，可以選取下一優(yōu)先級(jí)的路徑完成連接請(qǐng)求。算法描述如下，首先利用上述的Dijkstra算法進(jìn)行計(jì)算得到最短路徑，然后利用刪除算法在最短路徑上進(jìn)行擴(kuò)展，計(jì)算得到第圖2.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D2條最短路徑；再從第2條最短路徑進(jìn)行擴(kuò)展，以此重復(fù)可以計(jì)算出多條最短路徑。K條最短路徑算法的優(yōu)勢(shì)在于可以提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率。在圖2.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中，假設(shè)K=3，連接請(qǐng)求的源點(diǎn)為1、宿點(diǎn)為7，首先可以通過最短路徑算法直接得到最短路徑為1-2-3-4-7。如圖2.4所示，通過對(duì)最短路徑的擴(kuò)展

21、，可以依次計(jì)算得到第2條最短路徑1-2-3-6-4-7和第3條最短路徑1-2-5-6-4”-7”。圖2.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽U(kuò)展2.2頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配算法在計(jì)算得到相應(yīng)的最短路徑后，需要根據(jù)連接請(qǐng)求的需求在該路徑上分配頻譜資源，分配成功后才可以建立一條合適的光路徑。因此，優(yōu)化的頻譜分配算法十分重要。2.2.1頻譜分配的約束條件通常情況下，頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)都存在波長一致性的要求。但不同的是，傳統(tǒng)的路由和波長分配計(jì)算只需要滿足波長一致性約束條件；而頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中的路由和頻譜分配計(jì)算過程中則包括有兩個(gè)層面的頻譜一致性要求：頻譜的連續(xù)性和頻譜的鄰接性。如圖2.5所示，有一條網(wǎng)絡(luò)路

22、徑（A-B-C-D），A、B、C和D均為節(jié)點(diǎn)，將這些鏈路的所有頻譜間隙進(jìn)行編號(hào)：0，1，2，3，.，N。假設(shè)某一連接請(qǐng)求在A-B鏈路上分配的頻譜間隙編號(hào)為0和1，那么它在其他鏈路上分配的頻譜間隙編號(hào)也必須為0和1。圖2.5 頻譜連續(xù)性頻譜的鄰接性是指光路徑在頻譜軸上占用編號(hào)連續(xù)的頻譜間隙。如圖2.6所示，假設(shè)有一個(gè)連接請(qǐng)求的帶寬需要占用3個(gè)頻譜間隙，并且從第K個(gè)頻譜間隙開始分配頻譜資源，那么這個(gè)連接請(qǐng)求所占用的頻譜段編號(hào)就是K,K+1和K+2。因此，在滿足頻譜連續(xù)性和頻譜鄰接性后，頻譜分配算法主要有兩種：隨機(jī)命中法和首次命中法。隨機(jī)命中法是在分割的頻譜段中隨機(jī)選取可用的頻譜空間進(jìn)行使用，往往網(wǎng)

23、絡(luò)阻塞率會(huì)比較大。本文主要對(duì)首次命中法進(jìn)行闡述。圖2.6 頻譜的鄰接性2.2.2首次命中法在首次命中法中，先將所有的可用頻譜段依次進(jìn)行編號(hào)，然后在搜索可用頻譜段的時(shí)候，會(huì)先優(yōu)先選取編號(hào)低的頻譜段，從而將它作為第一個(gè)可用頻譜段，所以當(dāng)新的業(yè)務(wù)到來時(shí)，會(huì)自動(dòng)選取較低位置并且頻譜空間足夠大的空間來進(jìn)行。這種方案核心的思想是，讓所有進(jìn)行業(yè)務(wù)的頻譜段都盡量在頻譜空間中編號(hào)較低的地方，從而使得頻譜空間的高端位置會(huì)有連續(xù)的更長的路徑可用頻譜資源，有助于之后連接請(qǐng)求的建立成功。假設(shè)路徑A-B-C是如圖2.7所示的狀態(tài)情況，對(duì)每一頻譜段進(jìn)行編號(hào)并對(duì)它們的狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)號(hào)（“1”代表占用，“0”代表空閑，從編號(hào)5開始

24、往后狀態(tài)均為“0”），根據(jù)頻譜的連續(xù)性，將編號(hào)相同的頻譜段中的標(biāo)號(hào)依次做邏輯運(yùn)算中的“并”運(yùn)算，得出這條路徑的總體頻譜占用情況。若某一連接請(qǐng)求需要占用2個(gè)頻譜段，則可以從最上方開始搜索選取連續(xù)的2個(gè)頻譜段，即占用編號(hào)為1和2的頻譜段；若這一連接請(qǐng)求需要占用3個(gè)頻譜段，則占用編號(hào)為4、5和6的頻譜段。圖2.7 首次命中法2.3基于能耗感知的傳統(tǒng)與優(yōu)化路由和頻譜分配算法為了對(duì)比上文路由計(jì)算算法與頻譜分配算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能（能效性）的影響，本文將這幾種算法組合成2種路由和頻譜分配算法：最短路徑首次命中法和K條最短路徑首次命中法。這里主要會(huì)對(duì)這2種算法的流程進(jìn)行詳細(xì)的描述。1.基于能耗感知的傳統(tǒng)路由與頻譜

25、分配算法在這里，傳統(tǒng)的路由與頻譜分配算法即最短路徑首次命中法，通常算法難度較低。如圖2.8所示，基于能耗感知的傳統(tǒng)路由與頻譜分配算法描述如下：第一步：初始化網(wǎng)絡(luò)，并輸入一組連接請(qǐng)求；第二步：查詢所有連接請(qǐng)求是否都已經(jīng)遍歷，如果全部遍歷，則直接轉(zhuǎn)至第六步，否則選取下一連接請(qǐng)求；第三步：根據(jù)對(duì)應(yīng)連接請(qǐng)求的源點(diǎn)和目的點(diǎn)，利用最短路徑算法計(jì)算得到一條最短路徑，如果無法找到可用路徑，則連接阻塞并返回第二步；圖2.8 基于能耗感知的傳統(tǒng)路由與頻譜分配算法第四步：在計(jì)算得到的最短路徑中，首先查找空閑的頻譜空間，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)連接請(qǐng)求所需的頻譜段數(shù)，利用首次命中法在相應(yīng)的鏈路中分配頻譜資源（需滿足頻譜分配的連續(xù)

26、性和鄰接性），分配成功后再根據(jù)鏈路的需求設(shè)置相應(yīng)的再生器和轉(zhuǎn)發(fā)器；如果沒有找到合適的頻譜空間，則連接阻塞并返回第二步；第五步：計(jì)算得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器和再生器的能耗，同時(shí)在連接請(qǐng)求結(jié)束后轉(zhuǎn)至第二步；第六步：計(jì)算阻塞率、總能耗和平均能耗三個(gè)參數(shù)。2.基于能耗感知的優(yōu)化路由與頻譜分配算法優(yōu)化的路由與頻譜分配算法即K條最短路徑首次命中法。與最短路徑算法求得的單一最短路徑相比，K條最短路徑算法計(jì)算得到了多條最短路徑，它可以在一條路徑阻塞時(shí)使用另一條較短路徑來完成業(yè)務(wù)，這樣就能達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率的效果。如圖2.9所示，基于能耗感知的優(yōu)化路由與頻譜分配算法描述如下：圖2.9 基于能耗感知的優(yōu)化路由與頻譜分配算

27、法第一步：初始化網(wǎng)絡(luò)并輸入一組連接請(qǐng)求；第二步：查詢所有連接請(qǐng)求是否都已經(jīng)遍歷，如果全部遍歷，則直接轉(zhuǎn)至第六步，否則選取下一連接請(qǐng)求；第三步：根據(jù)對(duì)應(yīng)連接請(qǐng)求的源點(diǎn)和目的點(diǎn)，利用K條最短路徑算法（K=3）計(jì)算得到3條具有優(yōu)先級(jí)的最短路徑（總權(quán)值小的路徑優(yōu)先級(jí)會(huì)更高），如果1條合適路徑都未找到，則連接阻塞并返回第二步；第四步：根據(jù)對(duì)應(yīng)連接請(qǐng)求所需的頻譜段數(shù)，利用首次命中法按照優(yōu)先級(jí)順序在3條最短路徑中查找可用的頻譜空間并分配頻譜資源（需滿足頻譜分配的連續(xù)性的鄰接性），直至頻譜資源分配成功為止，分配成功需要針對(duì)相應(yīng)的路徑設(shè)置再生器和轉(zhuǎn)發(fā)器；如果沒有找到合適的頻譜空間，則連接被阻塞并返回第二步；第五

28、步：計(jì)算得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器和再生器的能耗，同時(shí)在連接請(qǐng)求結(jié)束后轉(zhuǎn)至第二步；第六步：計(jì)算阻塞率、總能耗和平均能耗三個(gè)參數(shù)。3.能耗計(jì)算模型每一連接請(qǐng)求的能耗主要由路由IP層端口（2個(gè)）、轉(zhuǎn)發(fā)器（2個(gè)）和再生器（未確定）所消耗的能耗共同構(gòu)成。由于光信號(hào)最大傳輸距離的限制，再生器的數(shù)目需要根據(jù)具體的路徑來進(jìn)行判斷；同時(shí)，以上的IP層端口、轉(zhuǎn)發(fā)器和再生器的功率是由元器件的參數(shù)計(jì)算?？偰芎牡挠?jì)算公式如下：表示根據(jù)路徑設(shè)置的再生器數(shù)量，表示連接請(qǐng)求需要占用的頻譜間隙數(shù)，表示IP路由端口功耗，表示轉(zhuǎn)發(fā)器功耗，表示再生器功耗。如圖2.10所示，有一條網(wǎng)絡(luò)路徑（A-B-C-D），假設(shè)光信號(hào)的傳輸距離最大為100，

29、則需要在3號(hào)路由節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)再生器。如果在正常路徑中傳輸，從源節(jié)點(diǎn)開始，每當(dāng)有兩節(jié)點(diǎn)（假設(shè)為A和B節(jié)點(diǎn)）之間的距離大于最大傳輸距離，就要在B節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置再生器。圖2.10 再生器的設(shè)置2.4小結(jié)本章先介紹了路由計(jì)算算法：最短路徑算法和K條最短路徑算法，然后闡述了頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配的兩個(gè)約束條件，同時(shí)詳細(xì)介紹了較為優(yōu)化的首次命中法。為了找到更加高效的算法，將上述算法結(jié)合提出基于能耗感知的傳統(tǒng)與優(yōu)化路由和頻譜分配算法，并對(duì)這2種算法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。第三章 仿真與結(jié)果分析在前兩章的描述中，分別提出了基于能耗感知的傳統(tǒng)與優(yōu)化路由和頻譜分配算法，即最短路徑首次命中法（SP_FF）和K

30、條最短路徑首次命中法（KSP_FF）。本次仿真中，在相同的條件下，利用C+編程在Visual Studio2015中對(duì)傳統(tǒng)與優(yōu)化的路由和頻譜分配算法進(jìn)行仿真，得到它們?cè)谧枞?、總能耗和平均能耗三個(gè)方面的數(shù)據(jù)表現(xiàn)。通過這三個(gè)參數(shù)的對(duì)比，來分析傳統(tǒng)與優(yōu)化算法的優(yōu)劣性。3.1 仿真條件的設(shè)置假設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)N(V, L, F)，在這之中，V 表示網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，L 代表網(wǎng)絡(luò)中的各條鏈路，F(xiàn) 代表網(wǎng)絡(luò)中各條鏈路所分割的頻譜間隙數(shù)目。在本次仿真中，會(huì)將兩種算法在如圖3.1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中進(jìn)行仿真。其中，該NSFNET網(wǎng)絡(luò)含有14個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)，包含21條鏈路；同時(shí)，每條鏈路被分割成100個(gè)頻譜間

31、隙，并且每一條鏈路都是雙向的。設(shè)置某一連接請(qǐng)求Con(s, d , w, a, b)，s表示某一連接請(qǐng)求的源點(diǎn)，d表示該連接請(qǐng)求的目的節(jié)點(diǎn)，w表示該連接請(qǐng)求所要占用的頻譜間隙數(shù)目，而a和b則分別表示該連接請(qǐng)求的開始時(shí)間以及結(jié)束時(shí)間。仿真參數(shù)設(shè)置如下：（1）每一個(gè)連接請(qǐng)求源點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)服從均勻分布，每一連接請(qǐng)求所占用的頻圖3.1 NSFNET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D譜間隙數(shù)目是隨機(jī)的；（2）連接請(qǐng)求總數(shù)設(shè)置為10000，同時(shí)為了降低算法的復(fù)雜度，設(shè)置各條路徑的權(quán)值均為1，并且設(shè)置K=3；（3）每一連接請(qǐng)求的開始和結(jié)束時(shí)間也是隨機(jī)的，但連接請(qǐng)求的開始與結(jié)束時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布，而兩個(gè)連接請(qǐng)求之間的時(shí)間間隔服從

32、泊松分布；根據(jù)上述參數(shù)的設(shè)置，來將傳統(tǒng)與優(yōu)化的路由和頻譜分配算法在阻塞率、總能耗和平均能耗三個(gè)方面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能的對(duì)比。3.2仿真結(jié)果與討論本節(jié)將利用傳統(tǒng)與優(yōu)化的路由與頻譜分配算法在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中進(jìn)行仿真，圍繞網(wǎng)絡(luò)阻塞率、平均能耗和總能耗三個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，得出較為優(yōu)化的路由和頻譜分配算法。1.網(wǎng)絡(luò)阻塞率阻塞率是指被拒絕的連接請(qǐng)求數(shù)目與連接請(qǐng)求總數(shù)的比值。比值越小，網(wǎng)絡(luò)阻塞率越低，網(wǎng)絡(luò)性能越好。圖3.2 NSFNET中傳統(tǒng)與優(yōu)化算法在不同業(yè)務(wù)量下的網(wǎng)絡(luò)阻塞率如圖3.2所示，仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化的路由與頻譜分配算法有著較低的阻塞率。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力較小時(shí)，優(yōu)化算法的阻塞率比傳統(tǒng)算法大

33、約低70%；在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力較大時(shí)，優(yōu)化算法的阻塞率比傳統(tǒng)算法低約30%。由于之前將所有鏈路的權(quán)值都設(shè)置為1，因此采用最短路徑算法時(shí)可能會(huì)將一些連接請(qǐng)求同時(shí)分配到同一條鏈路上，頻譜資源不夠分配，從而造成連接請(qǐng)求的阻塞；而采用K條最短路徑算法分配業(yè)務(wù)時(shí)，如果某一最短路徑發(fā)生阻塞，還可以通過使用下一優(yōu)先級(jí)的路徑來分配頻譜資源，這樣就可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，業(yè)務(wù)建立的成功率會(huì)降低，導(dǎo)致最短路徑算法和K條最短路徑算法都很難在網(wǎng)絡(luò)中建立業(yè)務(wù)，所以阻塞率的差距會(huì)變小。由此可見，基于能耗感知的優(yōu)化路由與頻譜分配算法比傳統(tǒng)算法有著更低的網(wǎng)絡(luò)阻塞率。2.總能耗總能耗主要由IP路由端口所消耗

34、的能量、光轉(zhuǎn)發(fā)器消耗的能量以及再生器消耗的能量構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)中，總能耗越高，即消耗的能量越多，網(wǎng)絡(luò)性能越低。如圖3.3所示，在仿真中，傳統(tǒng)算法有著更少的能耗。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力較低時(shí)，優(yōu)化算法的總能耗比傳統(tǒng)算法高2%；在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力較高時(shí)，優(yōu)化算法的總能耗比傳統(tǒng)算法高4%。圖3.3 NSFNET中傳統(tǒng)與優(yōu)化算法在不同業(yè)務(wù)量下的總能耗K條最短路徑算法是采用多條最短路徑的方法依據(jù)優(yōu)先級(jí)依次選擇合適的路徑，從而盡量減少發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞，所以，有的時(shí)候K條最短路徑算法比最短路徑算法有著更長的傳輸距離（權(quán)值），因此它消耗的能量更多，總能耗更大。同時(shí)，伴隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，業(yè)務(wù)建立會(huì)變得越來越困難，所以消耗的總能耗會(huì)

35、逐漸降低。3.平均能耗平均功耗是以上求得的總能耗與構(gòu)成路徑的條數(shù)的比值。隨著平均能耗的降低，網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)提高。仿真結(jié)果如圖3.4所示，傳統(tǒng)算法同樣較優(yōu)化算法有著更少的平均能耗。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力較高或較低時(shí)，優(yōu)化算法的平均能耗與傳統(tǒng)算法相近；而在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載正常時(shí)，優(yōu)化算法的平均能耗會(huì)比傳統(tǒng)算法大約高2%。一般情況下，K條最短路徑算法的權(quán)值比最短路徑算法大，因此建立成功的路徑所消耗的能量更高。圖3.4 NSFNET中傳統(tǒng)與優(yōu)化算法在不同業(yè)務(wù)量下的平均能耗3.3小結(jié)本章主要利用基于能耗感知的傳統(tǒng)與優(yōu)化算法在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中進(jìn)行仿真，通過對(duì)比其在阻塞率、總能耗和平均能耗三個(gè)方面的表現(xiàn)，比較它們的優(yōu)劣性。上一節(jié)的

36、仿真結(jié)果表明，優(yōu)化算法由于有多條最短路徑的選擇可以更加容易地建立連接請(qǐng)求，所以在降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率方面有著較為優(yōu)異的表現(xiàn)；而傳統(tǒng)算法使用的是總權(quán)值最短的路徑，在節(jié)省能耗方面十分出色。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，需要兼顧各個(gè)方面的影響，了解業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，從而選取較為適合的算法。第四章 總結(jié)與展望隨著寬帶業(yè)務(wù)的增長以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的信息交流量與日俱增，傳統(tǒng)的波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足人們逐漸增長的需求，而新型的頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)因其動(dòng)態(tài)綠色的特點(diǎn)，逐漸成為新的研究領(lǐng)域。本文即是從新型光網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)與優(yōu)化路由與頻譜分配算法這一角度出發(fā)，進(jìn)行仿真比較，從而驗(yàn)證其各自的優(yōu)劣性。本文首先選擇了頻譜分配

37、算法中較為優(yōu)異的首次命中法，再在最短路徑算法與K條最短路徑算法之間進(jìn)行比較，進(jìn)而體現(xiàn)出最短路徑算法和K條最短路徑算法各自的優(yōu)越性。KSP算法可以選取K條最短路徑，當(dāng)最短路徑發(fā)生阻塞時(shí)，可以選取下一優(yōu)先級(jí)的路徑進(jìn)行頻譜分配，這樣就可以降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率、提高頻譜利用率，但是也增加了消耗的能量、能源效率較低；而最短路徑算法是選取的最短路徑，因此它的路徑所消耗的能量是最少的、能源效率較高。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)縱觀全局，考慮多方面的因素（路徑的環(huán)境、可行性、業(yè)務(wù)的重要性等），根據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)際需求情況在能耗、阻塞率之間權(quán)衡利弊，選出更加合理有效的方案。由于作者的水平有限，本文還有許多不夠完善的地方需要進(jìn)一步改

38、進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1） 仿真中只考慮了頻譜分配算法中的首次命中法，并未對(duì)隨機(jī)命中法進(jìn)行分析，需要在傳統(tǒng)與優(yōu)化算法中采用隨機(jī)命中法分配頻譜資源來進(jìn)行比較分析；（2） 為了降低仿真中算法的復(fù)雜度，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中未考慮負(fù)載均衡的影響，直接設(shè)置各條鏈路的權(quán)值均為1，并且取K=3，這些都對(duì)最后網(wǎng)絡(luò)性能的分析產(chǎn)生了一定的偏差，今后要考慮負(fù)載均衡的狀況同時(shí)給K賦予不同的值。參考文獻(xiàn)1 M. Jinno, H. Takara, B. Kozicki, et al., Demonstration of novel spectrum-efficient elastic optical path netw

39、ork with per-channel variable capacity of 40 Gb/s to over 400 Gb/sC, European Conference on Optical Communication. IEEE, 2008:1-2.2 S. Gringeri, B. Basch, V. Shukla, et al., Flexible architectures for optical transport nodes and networksJ, IEEE Communications Magazine, 2010, 48(7):40-50.3 S. Rai, C

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