基于距離自適應(yīng)和有效共享路徑感知的光疏導方法

劉煥淋 歲 蒙 徐一帆 陳 勇 張盛峰

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基于距離自適應(yīng)和有效共享路徑感知的光疏導方法

劉煥淋*①歲 蒙①徐一帆①陳 勇②張盛峰①

①(重慶郵電大學光纖通信技術(shù)重點實驗室 重慶 400065)②(重慶郵電大學自動化學院 重慶 400065)

針對靈活網(wǎng)格光網(wǎng)絡(luò)中如何節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器與頻譜資源的問題，該文研究了多點到多點組播業(yè)務(wù)的光路環(huán)路由機制，提出一種基于距離自適應(yīng)和有效共享路徑感知的光疏導方法。通過設(shè)計一種基于距離自適應(yīng)的預(yù)處理機制，該疏導方法能根據(jù)業(yè)務(wù)成員節(jié)點的分布特點和距離自適應(yīng)準則靈活地為業(yè)務(wù)構(gòu)建光路環(huán)；在路由與頻譜分配階段，該疏導方法通過構(gòu)造一個面向光疏導的業(yè)務(wù)決策矩陣和一個優(yōu)先調(diào)度向量，將業(yè)務(wù)疏導到與當前業(yè)務(wù)具有有效共享路徑最多的已路由業(yè)務(wù)上，并優(yōu)先分配所需的頻譜空間以提高光疏導的成功率，實現(xiàn)節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器與頻譜資源的目的。仿真結(jié)果表明，該文提出的光疏導方法可以有效地減少業(yè)務(wù)消耗的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目和子載波數(shù)目。

靈活網(wǎng)格光網(wǎng)絡(luò)；光路環(huán)；光疏導；共享路徑感知

1 引言

隨著數(shù)字廣播、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等多播應(yīng)用需求的增長，光網(wǎng)絡(luò)面臨著業(yè)務(wù)流量爆炸式增長所帶來的巨大挑戰(zhàn)和壓力，光網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)器資源等也日益緊缺。目前光網(wǎng)絡(luò)綠色節(jié)能的路由傳輸研究主要集中于波分復用光網(wǎng)絡(luò)中[4,5]，而基于光正交頻分復用的靈活網(wǎng)格光網(wǎng)絡(luò)(Flexible Grid Optical Networks, FGON)中的研究及成果相對較少，因此FGON網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)綠色節(jié)能的路由傳輸是當前的研究熱點[6]。在FGON網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)需要頻繁地通過轉(zhuǎn)發(fā)器調(diào)制到不同等級的子載波上，這樣便造成了轉(zhuǎn)發(fā)器的總能耗巨大，因此減少轉(zhuǎn)發(fā)器的使用是實現(xiàn)綠色路由傳輸?shù)挠行侄蝃7,8]；此外，網(wǎng)絡(luò)中不同業(yè)務(wù)間保護頻隙的額外頻譜開銷，造成頻譜資源的浪費，也增大了網(wǎng)絡(luò)能耗[9,10]。因此，如何有效地節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器的使用與頻譜資源是一個值得研究的問題。

目前，國內(nèi)外圍繞FGON網(wǎng)絡(luò)中節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器與頻譜資源的研究已有若干成果：文獻[11]基于遺傳算法提出了生存性靈活光網(wǎng)絡(luò)的多目標優(yōu)化算法，該算法研究了采用高調(diào)制等級方式，以及在業(yè)務(wù)的保護鏈路上采用轉(zhuǎn)發(fā)器共享策略可減少轉(zhuǎn)發(fā)器的使用問題。文獻[12]針對具有帶寬波動的時變業(yè)務(wù)提出了Mid Fit頻譜分配算法，該算法通過最大化相鄰業(yè)務(wù)間的空閑頻譜塊，選擇最大的連續(xù)空閑頻譜塊中居于中間位置的連續(xù)頻譜來安置業(yè)務(wù)。從頻譜分配的角度分析，該頻譜分配算法可以有效地提高光疏導的成功率，實現(xiàn)節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器資源和頻譜資源的目的，但該算法總是選擇使用中間位置的頻譜，容易造成過多的頻譜碎片。文獻[13]提出了距離自適應(yīng)和頻譜碎片感知的光疏導算法來減少網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)器與頻譜資源的使用，算法至少可以節(jié)約14%的頻譜資源和13%的轉(zhuǎn)發(fā)器資源，但是算法在為進行光疏導的業(yè)務(wù)分配頻譜時，沒有提出靈活有效的頻譜分配策略，受子光路內(nèi)的頻譜連續(xù)性和一致性約束，該算法頻譜分配的成功率很低，最終制約了算法的性能提升。文獻[14]提出了基于最多頻隙數(shù)優(yōu)先的光疏導算法來節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器資源和頻譜資源，但沒有綜合地考慮頻隙數(shù)和路徑跳數(shù)對光疏導算法性能的影響，且提出的算法不適合多播業(yè)務(wù)的疏導傳輸。

本文研究了多點到多點組播業(yè)務(wù)的路由與頻譜分配問題。主要針對如何節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器與頻譜資源的使用問題，本文提出了一種光路環(huán)中基于距離自適應(yīng)和有效路徑感知的光疏導算法(Effective Sharing Path-Aware Optical Grooming, ESPA-OG)。該算法主要包含兩個部分：(1)基于距離自適應(yīng)的業(yè)務(wù)預(yù)處理機制，該機制為業(yè)務(wù)靈活地構(gòu)建光路環(huán)，設(shè)計了業(yè)務(wù)大小的定義式和業(yè)務(wù)的排序準則；(2)基于有效共享路徑感知的光疏導算法，該算法設(shè)計了業(yè)務(wù)的光疏導路由機制和頻譜分配機制。在路由階段，通過構(gòu)造一個面向光疏導的決策矩陣，選擇有效共享路徑最多的兩個光路環(huán)來靈活地進行光疏導；在頻譜分配階段，通過構(gòu)建一個優(yōu)先調(diào)度向量，為進行光疏導的業(yè)務(wù)優(yōu)先分配頻譜，進一步優(yōu)化光疏導算法的性能。

2 基于距離自適應(yīng)的業(yè)務(wù)預(yù)處理機制

在確定多點到多點組播業(yè)務(wù)的路由排序準則時，以往的研究主要是由業(yè)務(wù)占用的帶子載波數(shù)目決定，而不考慮業(yè)務(wù)傳輸路徑的物理跳數(shù)。受頻譜連續(xù)性和一致性的約束，這就會造成業(yè)務(wù)消耗額外的轉(zhuǎn)發(fā)器資源和頻譜資源。因為業(yè)務(wù)的物理跳數(shù)越多其光疏導成功的概率就越低，而如果能綜合考慮業(yè)務(wù)占用的子載波數(shù)目和物理跳數(shù)，就可以提高光疏導成功的概率，從而減少轉(zhuǎn)發(fā)器與頻譜資源的消耗。

基于以上分析，本文提出了光路環(huán)中基于距離自適應(yīng)的預(yù)處理機制，在該機制中，設(shè)計了業(yè)務(wù)大小的定義式。定義式的值由光路環(huán)占用的子載波數(shù)目和物理跳數(shù)決定，根據(jù)定義值再對業(yè)務(wù)進行降序排列。距離自適應(yīng)是當兩個節(jié)點間最短路徑的權(quán)重值發(fā)生變化后，該機制可重新判斷變化后的權(quán)重值和不同調(diào)制等級下光信號的極限傳輸距離之間的大小關(guān)系，以使業(yè)務(wù)選擇最高的調(diào)制等級進行傳輸。構(gòu)建光路環(huán)的方法及計算業(yè)務(wù)大小的步驟為：

步驟6 確定整個光路環(huán)。在半個光路環(huán)中查找光路連接度數(shù)為1的兩個成員節(jié)點和，從子圖中刪除半個光路環(huán)經(jīng)過的所有中間節(jié)點和物理鏈路，然后在子圖上，采用Dijkstra算法計算節(jié)點到的最短路徑，將此最短路徑存入中；

3 基于有效共享路徑感知的光疏導算法

目前光網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)的路由選擇和頻譜分配是NP(Non-deterministic Polynomial)完全問題[18]，啟發(fā)式算法可以解決大型網(wǎng)絡(luò)中整數(shù)線性規(guī)劃方法存在的計算時間過長的問題，然而在FGON網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)有的節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器資源和頻譜資源問題的策略都是針對單播業(yè)務(wù)，還沒有針對多點到多點組播業(yè)務(wù)提出靈活有效的解決方法。在本文提出的光疏導算法中，根據(jù)預(yù)處理機制為業(yè)務(wù)構(gòu)建光路環(huán)傳輸路徑，同時對業(yè)務(wù)進行降序排隊。算法按照路由與頻譜分配兩個階段來安置業(yè)務(wù)。

式(6)為算法的優(yōu)化目標，即最小化網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)消耗的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目與子載波數(shù)目。其中，為業(yè)務(wù)成員節(jié)點的數(shù)目；代表與已路由業(yè)務(wù)之間有效共享路徑中的成員節(jié)點個數(shù)；為式(5)中計算得到的業(yè)務(wù)的大小；代表業(yè)務(wù)與之間有效共享路徑經(jīng)過的鏈路數(shù)目。式(7)中的表示已路由業(yè)務(wù)的光通道，表示業(yè)務(wù)疏導在業(yè)務(wù)上，業(yè)務(wù)可以與業(yè)務(wù)之間共享轉(zhuǎn)發(fā)器資源，同時這兩個業(yè)務(wù)之間不需要保護頻帶。式(8)和式(9)表示在滿足約束條件下，最大化有效共享路徑數(shù)目，即盡可能多地共享轉(zhuǎn)發(fā)器資源，節(jié)約共享路徑上的子載波數(shù)目。

3.1 ESPA-OG算法的路由機制

ESPA-OG算法中的感知是一個根據(jù)業(yè)務(wù)的光路環(huán)之間有效共享路徑情況確定業(yè)務(wù)之間光疏導情況的過程。在尋找能夠?qū)Ξ斍皹I(yè)務(wù)進行光疏導的已路由業(yè)務(wù)時，當共享鏈路的兩個端節(jié)點均不是成員節(jié)點，而是光路環(huán)的中間節(jié)點時，表示該鏈路為無效共享路徑；當共享鏈路的兩個端節(jié)點至少有一個是成員節(jié)點時，表示該鏈路為有效共享路徑。采用有效路徑感知是為了保證算法不會在中間節(jié)點進行光疏導，由于在中間節(jié)點處進行業(yè)務(wù)的上下路，會導致消耗額外的轉(zhuǎn)發(fā)器資源。

ESPA-OG算法的業(yè)務(wù)傳輸路由步驟為：

步驟1 初始化網(wǎng)絡(luò)鏈路資源；

步驟2 根據(jù)本文的預(yù)處理機制計算出的業(yè)務(wù)的大小，將到達的多點到多點組播業(yè)務(wù)按業(yè)務(wù)大小降序插入鏈表中；

圖1 光路環(huán)中的光疏導

3.2 ESPA-OG中的頻譜分配策略

一般而言，在分配頻譜時，為了避免頻譜碎片化，算法會將新的業(yè)務(wù)安置在已占用的頻譜位置旁。但是采用光疏導后，如果依然采用這種頻譜分配，就會造成頻譜分配失敗。這是因為光疏導將多個業(yè)務(wù)疏導到一個轉(zhuǎn)發(fā)器中進行傳輸，也就是將多個子光路聚合為一個“光通道”，為這個光通道中的業(yè)務(wù)分配頻譜時，不僅要滿足子光路內(nèi)的頻譜連續(xù)性和一致性約束，還要滿足子光路間的頻譜連續(xù)性和一致性約束，子光路間的約束條件使得頻譜分配的成功率大大降低。如果我們能夠優(yōu)先為要聚合在一個光通道中的業(yè)務(wù)分配頻譜，就可以解決上述問題。

圖2 優(yōu)先分配策略

步驟1 初始化網(wǎng)絡(luò)頻譜資源；

算法在構(gòu)建光路環(huán)路由業(yè)務(wù)時，只將業(yè)務(wù)成員節(jié)點集合中的各成員節(jié)點按序配對，然后依次計算配對后的成員節(jié)點間的最短路徑，不再受光路環(huán)起點的約束，算法的時間復雜度為，疏導路由感知部分的時間復雜度是，其中為網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)目，為多點到多點組播業(yè)務(wù)的平均成員節(jié)點個數(shù)；在頻譜分配時，在安置完業(yè)務(wù)后，便調(diào)用業(yè)務(wù)的優(yōu)先調(diào)度向量，然后為疏導在上的所有業(yè)務(wù)查詢可用的頻譜空間，即在安置一個光通道中的業(yè)務(wù)時，只需要查找一次即可，算法的時間復雜度就為，其中為一個光通道中的平均業(yè)務(wù)數(shù)目，總的時間復雜度為。

4 算法仿真及結(jié)果分析

為了驗證所提算法的性能，本文對2個經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)拓撲進行了仿真，即14個節(jié)點，21條鏈路構(gòu)成的NSFNET網(wǎng)絡(luò)(如圖3)和24個節(jié)點，43條鏈路構(gòu)成的USNET網(wǎng)絡(luò)(如圖4)，每根光纖可承載的子載波數(shù)目為358個，調(diào)制等級取值為{1, 2, 3, 4}，一個子載波的帶寬容量為，每個節(jié)點配備的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目為100，節(jié)點的業(yè)務(wù)帶寬可取值為{1, 2, 3, 4, 5, 6}′12.5 Gb/s，每個組播業(yè)務(wù)的成員節(jié)點個數(shù)可取值為{2, 3, 4, 5}，與ESPA-OG算法進行對比的算法是FLPC-OG(Frequency LightPath Circle-Optical Grooming)[14]、無光疏導算法(LightPath Circle-No Grooming, LPC-NG)，其中LPC-NG算法采用了本文的預(yù)處理機制。仿真統(tǒng)計不同業(yè)務(wù)數(shù)和業(yè)務(wù)帶寬粒度下的轉(zhuǎn)發(fā)器使用數(shù)目，子載波使用數(shù)目等性能指標。

圖3 NSFNET網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖4 USNET網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖5和圖6分別表示2個網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)器使用情況，可以看出，3種算法消耗的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目均隨著網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)的增加而增加。但是在相同的業(yè)務(wù)數(shù)下，本文提出的ESPA-OG算法性能最好，F(xiàn)LPC- OG算法次之，LPC-NG算法性能最差，且ESPA-OG算法相比FLPC-OG算法、LPC-NG算法分別有約36%, 70%的轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)約。這是因為，相比LPC- NG算法，ESPA-OG算法中采用了有效共享路徑感知的光疏導機制，使得不同的業(yè)務(wù)在相同的成員節(jié)點處可以共享轉(zhuǎn)發(fā)器資源，而LPC-NG算法中沒有光疏導機制；相比FLPC-OG算法，ESPA-OG算法的預(yù)處理機制綜合考慮了子載波數(shù)目和物理跳數(shù)對光疏導的影響，使得更多的業(yè)務(wù)可以共享轉(zhuǎn)發(fā)器資源。此外，ESPA-OG算法還采用了頻譜優(yōu)先分配策略，提高了業(yè)務(wù)間光疏導的成功率，從而節(jié)約了更多的轉(zhuǎn)發(fā)器資源。在相同的業(yè)務(wù)數(shù)下，對比圖5和圖6可知，LPC-NG算法在USNET網(wǎng)絡(luò)中消耗的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目較少。這是因為USNET網(wǎng)絡(luò)較大，當業(yè)務(wù)的成員節(jié)點數(shù)目較多時，網(wǎng)絡(luò)中可能不存在鏈路代價最小的光路環(huán)，所以，在相同的業(yè)務(wù)總數(shù)下，USNET網(wǎng)絡(luò)中傳輸成功的業(yè)務(wù)的平均成員節(jié)點數(shù)目較少，從而消耗的轉(zhuǎn)發(fā)器就較少。然而，ESPA-OG算法和FLPC-OG算法在NSFNET網(wǎng)絡(luò)中的性能較優(yōu)，這是因為NSFNET網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的平均物理跳數(shù)較少，受頻譜連續(xù)性和一致性的約束小，業(yè)務(wù)光疏導成功的概率較大。

圖5 NSFNET網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)與消耗的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目的關(guān)系

圖6 USNET網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)與消耗的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目的關(guān)系

圖7和圖8分別表示2個網(wǎng)絡(luò)的頻譜使用情況，可以看出，在相同的業(yè)務(wù)數(shù)下，本文提出的ESPA- OG算法性能最優(yōu)，且ESPA-OG算法相比FLPC- OG算法、LPC-NG算法分別有約11%, 37%的頻譜節(jié)約。相比LPC-NG算法，ESPA-OG算法中采用了有效共享路徑感知的光疏導機制，節(jié)約了不同業(yè)務(wù)在有效共享鏈路上的保護帶，而LPC-NG算法中沒有光疏導機制，業(yè)務(wù)間保護帶會額外消耗網(wǎng)絡(luò)頻譜資源。相比FLPC-OG算法，ESPA-OG算法的預(yù)處理機制提高了業(yè)務(wù)間光疏導共享的鏈路數(shù)目，從而節(jié)約了更多的頻譜資源；而且，ESPA-OG算法的頻譜優(yōu)先分配機制可以優(yōu)先為參與疏導的業(yè)務(wù)分配頻譜，提高了光疏導在頻譜分配時的成功率。對比圖7和圖8可知，在相同的業(yè)務(wù)數(shù)下，3種算法在USNET網(wǎng)絡(luò)中消耗的子載波數(shù)目都比在NSFNET網(wǎng)絡(luò)中消耗的數(shù)目多，這是因為USNET網(wǎng)絡(luò)較大，業(yè)務(wù)的平均路由跳數(shù)較多，業(yè)務(wù)間保護帶所占用的總子載波數(shù)目就多。

圖7 NSFNET網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)與消耗的子載波數(shù)目的關(guān)系

圖8 USNET網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)數(shù)與消耗的子載波數(shù)目的關(guān)系

圖9和圖10分析了節(jié)點的業(yè)務(wù)帶寬粒度與網(wǎng)絡(luò)消耗的頻譜資源的情況。可以看出，當節(jié)點的業(yè)務(wù)帶寬粒度從1′12.5 Gb/s增大到6′12.5 Gb/s(75 Gb/s)時，無論在NSFNET網(wǎng)絡(luò)還是在USNET網(wǎng)絡(luò)中，ESPA-OG算法性能均優(yōu)于其他兩種算法。隨著業(yè)務(wù)帶寬粒度的增加，3種算法消耗的子載波數(shù)目都明顯增加。且與圖7和圖8相比，ESPA-OG算法和FLPC-OG算法的曲線上升幅度更加明顯。因為對于這兩種算法來說，隨著網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)總數(shù)的增多，進行光疏導的業(yè)務(wù)數(shù)就增多，節(jié)約的頻譜資源就增多，故網(wǎng)絡(luò)頻譜總消耗數(shù)目的上升趨勢就不明顯；但是隨著業(yè)務(wù)粒度的增加，在相同的調(diào)制等級下，業(yè)務(wù)占用的子載波數(shù)目就明顯增加，光疏導節(jié)約的頻譜資源遠不及業(yè)務(wù)粒度的增加所消耗的頻譜資源，故網(wǎng)絡(luò)頻譜總消耗數(shù)目的上升趨勢很明顯。

圖9 NSFNET網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)帶寬與消耗的子載波數(shù)目的關(guān)系

圖10 USNET網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)帶寬與消耗的子載波數(shù)目的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文研究了靈活網(wǎng)格光網(wǎng)絡(luò)中多點到多點組播業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)器與頻譜資源優(yōu)化問題，提出了一種光路環(huán)中基于距離自適應(yīng)和有效共享路徑感知的光疏導方法，通過設(shè)計一種基于距離自適應(yīng)的預(yù)處理機制，使得該疏導方法可根據(jù)業(yè)務(wù)成員節(jié)點的分布特點和距離自適應(yīng)準則靈活地為業(yè)務(wù)構(gòu)建光路環(huán)。在為業(yè)務(wù)進行路由時，該疏導方法構(gòu)建了面向光疏導的決策矩陣，為業(yè)務(wù)選擇有效共享路徑最多的已路由業(yè)務(wù)進行光疏導，從而減少轉(zhuǎn)發(fā)器與頻譜資源的使用；為了增加光疏導后的頻譜分配成功率，該疏導方法還構(gòu)建了優(yōu)先調(diào)度向量，為進行光疏導的業(yè)務(wù)優(yōu)先分配合適的頻譜空間。仿真結(jié)果驗證了本文算法可以很大程度上節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器與頻譜資源的使用。對于未來工作，可以通過優(yōu)化靈活網(wǎng)格光網(wǎng)絡(luò)的能耗模型和光疏導策略，來進一步節(jié)約資源消耗。

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Method of Optical Grooming for Distance-adaptive and Effective Sharing Path-aware

Liu Huan-lin①Sui Meng①Xu Yi-fan①Chen Yong②Zhang Sheng-feng①

①(,,400065,)②(,,400065,)

In order to address the problem of reducing the resources of transponder and spectrum in flexible grid optical networks, a lightpath circle mechanism is studied for many-to-many multicast requests, and a method of optical grooming is proposed based on distance-adaptive and effective sharing path-aware. By designing a strategy of traffic pre-processing based on distance-adaptive, a lightpath circle is constructed according to the distribution characteristics of member nodes and the distance-adaptive criterion in the proposed method. In the process of routing and spectrum allocation, by constructing a decision matrix oriented optical grooming and a priority scheduling vector, the multicast request is groomed into the established traffic with the highest effective sharing links. Moreover, the appropriate spectrum resources are allocated for the groomed requests to increase the success rates of grooming and to save the resources of transponder and spectrum. Simulation results show that the proposed method can significantly reduce the number of traffic consumed transponders and sub-carriers.

Flexible grid optical networks; Lightpath circle; Optical traffic grooming; Sharing path-aware

TN929.11

A

1009-5896(2015)08-1964-07

10.11999/JEIT141442

劉煥淋 liuhl2@sina.com

2014-11-20收到，2015-04-15改回，2015-06-09網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

重慶市教委自然科學基金(KJ1140421)，重慶市科委自然基金(2013jcyjA40052, 2011jjA1361)和國家自然科學基金(61275077, 61371096)資助課題

劉煥淋： 女，1970年生，教授，研究方向為光通信技術(shù)與未來網(wǎng)絡(luò).

歲 蒙： 女，1988年生，碩士生，研究方向為光組播路由及頻譜分配算法.

徐一帆： 男，1990年生，碩士生，研究方向為綠色光網(wǎng)絡(luò)路由算法.