WDM網絡中基于分層圖模型的ICBR路由算法

宋 璨， 侯韶華

（南京郵電大學 光電工程學院，江蘇 南京 210046）

0 引言

在波分復用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）光網絡中，當光信號在通路中傳輸時，會受到來自物理層的各種傳輸損傷的影響，導致信號質量下降，當損傷積累到一定程度，會導致業務無法有效傳輸，因此考慮物理損傷的路由算法具有重要的研究意義。

傳統的損傷評估，往往采用對單一損傷進行評估，此算法將多種物理損傷，均量化為統一的鏈路權值Ci，以反映每條光路的信號質量劣化的程度，最終選出光信號質量足夠好的路徑，有效的規避了多種物理損傷的影響。

目前一些相關文獻提出的考慮物理損傷的路由算法[1-3]，僅基于Q因子或誤碼率作為光信號質量評估的唯一參數，使ICBR算法僅在一定程度上克服信號損傷的影響。在新研究的損傷感知路由波長分配算法中，從Q因子和OSNR兩方面來評估光信號質量，最終選定最佳性能路徑，保障了為每個連接請求提供滿足服務質量要求的最佳光路。

考慮到波長連續性的限制，傳統 ICBR算法采用簡單的先路由再波長分配的算法，其阻塞率是很高的。此算法引入分層圖模型，在每個波長的拓撲層尋找路徑，只要有路徑存在就不會阻塞[4]，大大改善了網絡的阻塞性能，且資源利用率較高。

1 物理損傷評估

1.1 物理損傷因素

光信號在通路中傳播會受到物理層各種因素的影響，包括線性和非線性物理損傷，如：放大自發輻射噪聲(ASE，Amplified Spontaneous Emission)、四波混頻效應(FWM，Four Wave Mixing)、自相位調制(SPM，Self-Phase Modulation)/群速度色散(GVD，Group Velocity Dispersion)的共同作用以及交叉相位調制(XPM，Cross-Phase Modulation)，文中通過參數分別度量這些物理損傷對鏈路i所造成的影響。

1) 第i條鏈路上ASE噪聲引起的信號質量劣化的方差：

式中，R是接收機響應度，Pavg是接收機平均光功率，PASE是摻鉺光纖放大器（EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier）的 ASE功率，Bo、Be分別是接收機的光帶寬、電帶寬。

2) 由SPM / GVD效應導致的眼圖閉合代價：

式中，Vu,1、Vu,o分別代表未受物理損傷時“1”、“0”電平的平均電壓，Vd,1、Vd,0分別為受物理損傷影響后“1”、“0”電平的平均電壓。

3) 交叉相位調制引起的信號質量劣化的方差：

4) 四波混頻引起的信號質量劣化的方差：

式中，R為接收機響應度，tP為發送端光功率，Pabc為頻率fabc=fa+fb+fc的光功率，第1種情況，代表所有（fa≠fb≠fc≠fm）情況時FWM功率和，第2種情況代表fa≠fb≠fc，但fc=fm時FWM功率和，第 3種情況代表fa=fb≠fc≠fm時，FWM功率和。

1.2 鏈路i的物理損傷權值

將多種物理損傷量化為統一的鏈路權值Ci，以反映光路 i的信號質量劣化程度，最終選出一條鏈路權值和最小，即光信號質量足夠好的路徑，有效規避了多種物理損傷的影響。鏈路權值Ci計算公式為：

2 網絡性能評估

通過對選定的路由進行光信號質量評估，選出一條具有較高服務質量的路由，從而提高網絡的整體性能。文中采用的評估因子有OSNR和Q因子。OSNR是衡量光路性能的重要指標，Q因子通過將物理損傷因素考慮在內，進一步準確的反映了光信號的物理性能。

2.1 OSNR值

OSNR是一個十分重要的參數，能夠比較準確的反映光信號質量。第i條鏈路上的OSNR公式為：

式中，Pin1，Pin2，…，PinN是放大器或鏈路上的其他光網絡單元的輸入端光功率（dBm），NF1，NF2，…，NFN是放大器或其他光網絡單元的噪音系數（dB），h是普朗克常量，ν是波長頻率，vr是參考帶寬。

由N條鏈路組成的路由P的OSNR[5]可通過下式計算：

2.2 Q因子

所謂Q因子就是在最佳判決點信號和噪聲的比值，其最終決定了物理層系統誤碼率（BER）。綜合考慮各種物理損傷，某條選定路由P的光信號質量，可通過Qp來評估[4]：

式中，tP是發送光功率，分別是路由P上N條鏈路的值的和。

路由P上光信號的誤碼率為：

3 分層圖模型

傳統的ICBR算法，都是先采用Dijkstra算法求出最短路徑，再為這條路徑分配波長。然而，考慮到實際網絡中波長連續性的限制，這種算法的阻塞率是很高的。此算法通過和分層圖模型相結合，一個波長分成一個拓撲層，再在每個波長拓撲層上，采用 Dijkstra算法查找各鏈路的物理損傷權值和最小的路由。由于是在每個波長的拓撲層尋找路徑，所以只要有路徑存在就不會阻塞[6]，大幅度改善了網絡的阻塞性能。

分層圖模型定義：網絡的物理拓撲為G(V,E,W)，V表示節點集合，E表示鏈路集合，W表示可用波長集合。將該物理拓撲復制W份，形成分層圖中的W個波長拓撲層，然后在這W個波長拓撲層上分別計算源節點到目的節點的路徑。分層圖模型如圖 1所示。

圖1 分層圖模型

4 路由算法描述

基于分層圖模型的 ICBR算法，具體流程描述如下。

（1）預處理階段

開始時，預處理階段收集與網絡和流量需求相關的所有信息。如：網絡的拓撲結構，鏈路容量，每段光纖的發射功率，放大器的噪聲系數等物理損傷評估算法所需要的參數。根據所收集的信息，計算反映每條鏈路受物理損傷影響的程度Ci值，作為Dijkstra算法中每條鏈路的權值。

（2）路由和波長分配階段

采用分層圖模型與Dijkstra算法相結合。首先，將物理拓撲G(V,E,W)復制為W個波長拓撲層，再用Dijkstra算法（融入物理損傷作為鏈路的權值）計算每個波長拓撲層上的權值和最小的路徑。若W層均未查找到有效路徑，則連接請求被阻塞；否則進入物理損傷評估階段。

（3）物理損傷評估階段

物理損傷約束評估階段，基于路徑中的所有物理損傷，驗證Q因子（或BER）和OSNR。首先預定門限值：Q因子＞7（相當于BER＜10-12），OSNR＞21 dB。當在目的節點的Q因子（或BER）和OSNR同時滿足門限值時，此路徑是滿足業務服務質量要求的，連接被建立；否則連接請求被阻塞。

基于分層圖的ICBR算法流程如圖2所示。

5 結語

物理損傷導致的信號質量劣化已成為限制WDM網絡性能的主要因素之一，此算法將多種物理損傷，如ASE噪聲，SPM/GVD和FWM等線性損傷和非線性損傷，均量化為統一的鏈路權值Ci，以反映每條光路的信號質量劣化的程度，最終選出光信號足夠好質量的路徑，有效的規避了多種物理損傷的影響。在實際WDM網絡中，考慮到波長連續性的限制，將分層圖模型與傳統的ICBR算法相結合，降低了網絡的阻塞率，提高了網絡的整體性能。

[1] 熊余.波長路由網絡選路時的光信號質量限制研究[J].通信技術,2008,41(09):123-124.

[2] TOMKOS I, MARKIDIS G, SYGLETOS S. Cross-layer Optimized Optical Grid Networks[C]//IEEE.Broadband Communications, Networks and Systems,2007. BROADNETS 2007. Fourth International Conference. USA:IEEE, 2007:707-713.

[3] MARKIDIS G,SYGLETOS S,TZANAKAKI A, et al.Impairment Aware based Routing and Wavelength Assignment in Transparent Long Haul Networks[J].Computer Science,2007,4534(05):48-57.

[4] JIRATTIGALACHOTE A, MONTI P, WOSINSKA L.ICBR-Diff:an Impairment Constraint Based Routing Strategy with Quality of Signal Differentiation[J].Journal of Networks,2010,5(11):1279-1289.

[5] 徐云斌.OTN控制平面技術.工業和信息化部電信研究院通信標準研究所[EB/OL].(2010-10-15)[2011-08-03].http://wenku.baidu.com/view/337607ff910ef12d2af 9e7f3.hml.

[6] 陳卓.動態光網絡中面向約束的路由和波長分配算法[D].武漢：華中科技大學，2008:30-31.