ROADM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)路徑策略及算法研究

劉杰

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510630）

1 引言

近年來，隨著5G、OTT、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、VR、網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）等電信業(yè)務(wù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求越來越大。100G/200G/400G 技術(shù)[1]的成熟與發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)帶寬從技術(shù)上已經(jīng)沒有了“瓶頸”，相干技術(shù)的應(yīng)用使得色散不再是DWDM 系統(tǒng)的“短板”，基于WSS 為核心的ROADM 網(wǎng)絡(luò)開啟了全光網(wǎng)2.0 時(shí)代。目前運(yùn)用最成熟的是20 維收發(fā)合一WSS、32維收發(fā)合一WSS、光背板技術(shù)也開始逐步應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)中。中國(guó)電信對(duì)ROADM 技術(shù)使用最早、發(fā)展最快、覆蓋面積最廣。隨著ROADM網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)規(guī)劃提出了極大的挑戰(zhàn)，基本上無法依靠人力來完成，只能依靠規(guī)劃軟件。在不同的運(yùn)營(yíng)商、不同的區(qū)域、不同的場(chǎng)景下，業(yè)務(wù)規(guī)劃的策略要求不盡相同，需要根據(jù)實(shí)際策略定制合適的規(guī)劃軟件，那么研究業(yè)務(wù)路徑策略及算法就變得很重要了。

2 ROADM網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

2.1 ROADM結(jié)構(gòu)

ROADM網(wǎng)絡(luò)[2]是以WSS為核心器件的DWDM系統(tǒng)，包含兩類基本功能模塊：

（1）可重構(gòu)波長(zhǎng)上下路模塊（R-WADD: Reconfigurable Wavelength Add/Drop Devices），其功能為實(shí)現(xiàn)任意一個(gè)波長(zhǎng)通路從一個(gè)光線路方向傳輸?shù)搅硪粋€(gè)線路方向；

（2）可重構(gòu)本地上下路模塊（R-LADD: Reconfigurable Local Add/Drop Devices），其功能為實(shí)現(xiàn)任意線路方向的任意波長(zhǎng)下路和任意本地波長(zhǎng)上路到任意線路方向。

R-WADD 和R-LADD 均為WSS 器件，WSS 兩兩通過端口進(jìn)行連接組成光交叉矩陣，實(shí)現(xiàn)上述兩類功能模塊的功能，光交叉矩陣在技術(shù)上通過光纖互連或光背板技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)。反映到整個(gè)ROADM網(wǎng)絡(luò)，即為承載任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的波長(zhǎng)可在全網(wǎng)任意復(fù)用段及節(jié)點(diǎn)內(nèi)穿行。

圖2 是六節(jié)點(diǎn)ROADM 網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)A 至F 的業(yè)務(wù)路由可以是A-B-F、A-D-F、A-C-E-F、A-D-C-E-F等等，業(yè)務(wù)路由安排由ROADM網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)策略決定。

ROADM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)路由策略按影響的因素來劃分，可分為兩大類：業(yè)務(wù)路徑策略和業(yè)務(wù)規(guī)避策略。

2.2 ROADM業(yè)務(wù)路徑策略

業(yè)務(wù)路徑策略指的是業(yè)務(wù)路由尋路的方法，常用的有三種：最短路徑、最優(yōu)OSNR、最少跳數(shù)，此類策略的選取與ROADM網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)類型關(guān)系最大。

通常情況下，時(shí)延要求高的業(yè)務(wù)建議采用最短路徑策略，這是因?yàn)闃I(yè)務(wù)傳輸距離越短時(shí)延越優(yōu)，反之亦然。對(duì)時(shí)延不敏感的業(yè)務(wù)建議采用最優(yōu)OSNR策略，以盡可能把業(yè)務(wù)安排在ROADM網(wǎng)絡(luò)光纜質(zhì)量較好的段落，在對(duì)長(zhǎng)距離傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)來說，能最大限度節(jié)省電中繼，對(duì)較短距離傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)來說，業(yè)務(wù)全程的OSNR 較高，相對(duì)來說有更多的維護(hù)余量。ROADM網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密集、傳輸距離較長(zhǎng)的業(yè)務(wù)建議采用最少跳數(shù)策略，以減少業(yè)務(wù)傳輸時(shí)過多地穿通WSS 而帶來的OSNR代價(jià)。

但業(yè)務(wù)類型并不是決定路由策略的唯一因素，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合ROADM網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、光纜資源、機(jī)房資源、承載的業(yè)務(wù)類型、工程投資等等因素綜合考慮。可采用單一路徑策略或多種路徑策略相結(jié)合的混合策略。

2.3 ROADM業(yè)務(wù)規(guī)避策略

業(yè)務(wù)規(guī)避策略指的是由于業(yè)務(wù)層級(jí)的限制，導(dǎo)致業(yè)務(wù)路由需要做出相應(yīng)的規(guī)避。主要有下面四種[3]：

（1）關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)組

ROADM網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)，大部分是要求1+1開通的，需要分A/B路由進(jìn)行承載，這部分業(yè)務(wù)包括：同源同宿、同源異宿、異源同宿、異源異宿四種。

鑒于此，業(yè)界引入了關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)概念，根據(jù)Q/CT 2620-2016，《中國(guó)電信可重構(gòu)光分插復(fù)用（ROADM）設(shè)備技術(shù)要求》的定義：ROADM 網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)指的是兩個(gè)波長(zhǎng)通道之間的關(guān)系。互為關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)的兩個(gè)波長(zhǎng)通道的工作路由不允許使用同一鏈路和同一共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組（SLRG）內(nèi)的鏈路；在資源允許的情況下，應(yīng)當(dāng)盡可能避免經(jīng)過相同的中間節(jié)點(diǎn)。

關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)組指的是由關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)組成的業(yè)務(wù)組，通常情況下分組A、組B，分別由A、B路由承載。

（2）業(yè)務(wù)必不經(jīng)

業(yè)務(wù)必不經(jīng)是指ROADM 網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)不允許經(jīng)過特定的節(jié)點(diǎn)或特定的OMS。

（3）業(yè)務(wù)必經(jīng)

業(yè)務(wù)必經(jīng)是指ROADM 網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)必須要經(jīng)過特定的節(jié)點(diǎn)或特定的OMS。

（4）路徑中間節(jié)點(diǎn)分離

關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)組是要求組內(nèi)業(yè)務(wù)分A/B路由承載，使用兩個(gè)盡可能物理獨(dú)立的波長(zhǎng)通道。對(duì)于一些安全要求高的業(yè)務(wù)，考慮到單節(jié)點(diǎn)故障的問題，會(huì)進(jìn)一步要求A/B路由在不同時(shí)經(jīng)過同一物理路由外，也不能同時(shí)經(jīng)過某節(jié)點(diǎn)，即需要路徑中間節(jié)點(diǎn)分離。

如有關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)組，業(yè)務(wù)起點(diǎn)為A、終點(diǎn)為F，業(yè)務(wù)路由A為“A-D-F”，路由B 可為“A-C-D-E-F”，如圖3 左圖所示。但執(zhí)行路徑節(jié)點(diǎn)分離策略后，路由B 是不滿足策略要求的，因?yàn)槁酚葾/B同時(shí)經(jīng)過了節(jié)點(diǎn)D。路由B可調(diào)整為“A-C-E-F”,如圖3右圖所示。

其中紅實(shí)線表示路由A，藍(lán)線表示路由B，A/B路由不允許同時(shí)經(jīng)過節(jié)點(diǎn)D。

3 Floyd算法應(yīng)用

不同的路由策略需通過不同的算法來實(shí)現(xiàn)，常用的最短路徑算法有：Dijkstra算法，Bellman-Ford算法，F(xiàn)loyd算法[4]和SPFA 算法等，最優(yōu)OSNR、最少跳數(shù)算法可由最短路徑算法衍生出來。

本節(jié)以Floyd算法為例詳細(xì)闡述ROADM網(wǎng)絡(luò)三種路由策略在算法上的實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 Floyd算法簡(jiǎn)介

Floyd 算法是一種利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的思想，尋找給定的加權(quán)圖中多源點(diǎn)之間最短路徑的算法，該算法名稱以創(chuàng)始人之一、1978 年圖靈獎(jiǎng)獲得者、斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授羅伯特·弗洛伊德命名。Floyd 算法可以求出任意兩個(gè)點(diǎn)之間最短路徑，可以正確處理有向圖或無向圖或負(fù)權(quán)（但不可存在負(fù)權(quán)回路)的最短路徑問題，同時(shí)也被用于計(jì)算有向圖的傳遞閉包，時(shí)間復(fù)雜度是O(N3)，空間復(fù)雜度是O(N2)。

ROADM 網(wǎng)絡(luò)為無向圖 ，F(xiàn)loyd 算法適用于ROADM 網(wǎng)絡(luò)的最短路徑計(jì)算。

3.2 Floyd算法思路

Floyd 算法計(jì)算圖G 各個(gè)頂點(diǎn)的最短路徑時(shí)，引入矩陣D 和矩陣P。矩陣D 中的元素D[i][j]表示頂點(diǎn)i(第i 個(gè)頂點(diǎn))到頂點(diǎn)j(第j個(gè)頂點(diǎn))的距離。矩陣P中的元素P[i][j]，表示頂點(diǎn)i到頂點(diǎn)j經(jīng)過了P[i][j]記錄的值所表示的頂點(diǎn)。

假設(shè)圖G 中頂點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，則需要對(duì)矩陣D 和矩陣P 進(jìn)行N次更新：

（1）初始值。矩陣D 中頂點(diǎn)D[i][j]的數(shù)值為頂點(diǎn)i 到頂點(diǎn)j 的距離，如果i 和j 不相鄰，則D[i][j]=∞；矩陣P 的值為頂點(diǎn)P[i][j]的j值。在代碼編寫時(shí)，一般定義一個(gè)很大的常量代表∞。

（2）矩陣D、P 的N 次更新。引用變量k，其值為1～N。如果D[i][j]>D[i][k]+D[k][j]，則更新D[i][j]=D[i][k]+D[k][j]，更新P[i][j]=P[i][k]。更新n次后得到任意兩頂點(diǎn)間的最短距離。

使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)Floyd算法如下：

4 ROADM業(yè)務(wù)路徑策略算法實(shí)現(xiàn)

4.1 最短路徑算法

ROADM 網(wǎng)絡(luò)是以ROADM 節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)的圖G，ROADM 每個(gè)OMS 為圖G 的邊。使用Floyd 算法計(jì)算ROADM 網(wǎng)絡(luò)任意兩節(jié)點(diǎn)間最短路徑時(shí)，G 圖頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)ROADM節(jié)點(diǎn)，N即為ROADM節(jié)點(diǎn)數(shù)；矩陣D的各個(gè)元素為OMS長(zhǎng)度，其中i為OMS的起點(diǎn)，j為OMS的終點(diǎn)；矩陣P的各個(gè)元素即為計(jì)算路徑途經(jīng)的ROADM節(jié)點(diǎn)，為更清晰地描繪路徑信息，通常情況下會(huì)對(duì)每個(gè)OMS進(jìn)行編碼，因此矩陣P 的元素除了ROADM 節(jié)點(diǎn)信息外，還應(yīng)包含OMS 編碼信息。

依據(jù)上述對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用Floyd 算法，即可計(jì)算中ROADM網(wǎng)絡(luò)任意兩節(jié)點(diǎn)間的最短路由。

4.2 最優(yōu)OSNR算法

根據(jù)ITU-TG.692建議，WDM系統(tǒng)光信道的信噪比（OSNR）的計(jì)算公式[5]為：

其中POUT是每信道的輸出功率，單位為dBm；L是光放大器之間光纖段的損耗，單位為dB；NF是EDFA 的噪聲指數(shù)，單位為dB；hv?v0是光濾波器的帶寬；N是鏈路中光纖段數(shù)。

假定WDM 系統(tǒng)所有光放段的損耗是相等的，則在1550nm 波長(zhǎng)窗口，光濾波器帶寬為0.1nm時(shí)，10 log[hv?v0]=-58dBm，即得：

在實(shí)際WDM系統(tǒng)中，每個(gè)光放段的POUT、L、NF均有可能是不同的，變換公式后推導(dǎo)后得：

ROADM 網(wǎng)絡(luò)每個(gè)OMS 的信噪比（OSNR）可以據(jù)此公式進(jìn)行計(jì)算。其中每個(gè)光放段的POUT可以依據(jù)國(guó)標(biāo)、行標(biāo)或企標(biāo)進(jìn)行取定，L根據(jù)實(shí)際光纜的測(cè)試值并預(yù)留一定維護(hù)余量進(jìn)行取定，NF可根據(jù)EDFA的技術(shù)水平進(jìn)行取定。

假設(shè)一個(gè)業(yè)務(wù)穿通N 個(gè)OMS，業(yè)務(wù)全程的OSNR=58-10 log(T1+T2+…+Tn)，即

代入OMS信噪比（OSNR），即可求得業(yè)務(wù)全程OSNR。當(dāng)全程OSNR小于標(biāo)準(zhǔn)要求的容限時(shí)，需要在中間節(jié)點(diǎn)設(shè)置電中繼。

由上述公式可知，當(dāng)T的總和越小，業(yè)務(wù)全程OSNR 值越大，業(yè)務(wù)的OSNR越優(yōu)。因此參考Floyd算法的思路，使用OMS 的T 值替代OMS 的距離，再使用Floyd 算法，則可以計(jì)算出ROADM網(wǎng)絡(luò)任意兩節(jié)點(diǎn)間最優(yōu)OSNR路由。

4.3 最少跳數(shù)算法

把ROADM 網(wǎng)絡(luò)每個(gè)OMS 的距離設(shè)置為1，再使用Floyd 算法，即可計(jì)算出ROADM 網(wǎng)絡(luò)任意兩節(jié)點(diǎn)間的最少跳數(shù)路由。

5 ROADM業(yè)務(wù)規(guī)避策略算法實(shí)現(xiàn)

5.1 關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)組

關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)組在程序?qū)崿F(xiàn)上是先根據(jù)路徑策略（指：最短路徑、最優(yōu)OSNR、最少跳數(shù)，下同）計(jì)算出業(yè)務(wù)A路由。然后將A 路由所經(jīng)過的OMS 斷開，再利用路由策略計(jì)算業(yè)務(wù)B路由。

假設(shè)A 至F 的業(yè)務(wù)A 路由為A-D-F，在計(jì)算業(yè)務(wù)B 路由時(shí)需先斷開AD、DF，再使用Floyd算法計(jì)算A至F的路徑，即得業(yè)務(wù)B路由，如圖5所示。

OMS 斷開動(dòng)作在程序?qū)崿F(xiàn)上，當(dāng)路由策略為最短路徑時(shí)，設(shè)置相應(yīng)OMS的距離為∞；當(dāng)路由策略為最優(yōu)OSNR時(shí)，設(shè)置相應(yīng)OMS 的T 值為∞；當(dāng)路由策略為最少跳數(shù)時(shí)，設(shè)置相應(yīng)OMS的距離為∞。

5.2 業(yè)務(wù)必不經(jīng)

業(yè)務(wù)必不經(jīng)分OMS 必不經(jīng)、節(jié)點(diǎn)必不經(jīng)。在程序?qū)崿F(xiàn)上，OMS必不經(jīng)先斷開相應(yīng)OMS，節(jié)點(diǎn)必不經(jīng)先斷開與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)的OMS，再根據(jù)路由策略計(jì)算出業(yè)務(wù)的路徑。

假設(shè)A 至F 的業(yè)務(wù)要求必不經(jīng)節(jié)點(diǎn)D，在計(jì)算業(yè)務(wù)路由時(shí)先斷開AD、BD、CD、DE、DF，再使用Floyd算法計(jì)算A至F的路徑，即得符合業(yè)務(wù)策略的路徑，如圖6所示。

5.3 業(yè)務(wù)必經(jīng)

業(yè)務(wù)必經(jīng)分OMS必經(jīng)、節(jié)點(diǎn)必經(jīng)兩種。

在程序?qū)崿F(xiàn)上，OMS 必經(jīng)先根據(jù)路徑策略計(jì)算業(yè)務(wù)起點(diǎn)至必經(jīng)OMS 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由，按策略要求保留符合條件的路由（記為路由A）及OMS 節(jié)點(diǎn)；再計(jì)算業(yè)務(wù)終點(diǎn)至必經(jīng)OMS 另一節(jié)點(diǎn)的路由（記為路由B）。業(yè)務(wù)最終全程路由應(yīng)為“路由A+OMS+路由B”。

節(jié)點(diǎn)必經(jīng)在程序?qū)崿F(xiàn)上同理，分別根據(jù)路由策略計(jì)算業(yè)務(wù)起點(diǎn)至必經(jīng)節(jié)點(diǎn)路由、業(yè)務(wù)終點(diǎn)至必經(jīng)節(jié)點(diǎn)路由，業(yè)務(wù)最終全程路由為兩路由相加。

5.4 路徑中間節(jié)點(diǎn)分離

關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)組路徑節(jié)點(diǎn)分離策略在程序?qū)崿F(xiàn)上，先根據(jù)路徑策略計(jì)算出業(yè)務(wù)A 路由，然后將A 路由所有中間節(jié)點(diǎn)找出，斷開與這些節(jié)點(diǎn)相關(guān)的OMS，然后根據(jù)路由策略計(jì)算業(yè)務(wù)B路由。

假設(shè)A 至F 的業(yè)務(wù)A 路由為A-C-E-F，即其中間節(jié)點(diǎn)為C、E。在計(jì)算業(yè)務(wù)B路由時(shí)先斷開AC、BC、CD、CE、DE、EF，再使用Floyd算法計(jì)算A至F的路徑，即得到業(yè)務(wù)B路由，如圖7所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

ROADM網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方案、業(yè)務(wù)安排、業(yè)務(wù)開通等方面均與傳統(tǒng)鏈狀波分系統(tǒng)有很大的差別，在ROADM網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，合理、高效的業(yè)務(wù)路由方案將更能發(fā)揮ROADM網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。