礦用信息傳輸波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)大容量路由與波長分配研究

張鳳杰 代碧波 楊曉明

（1.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧沈陽110023；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

地下礦山智能開采是未來礦山發(fā)展的重要方向，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)采集信息的有效、流暢、高速、高質(zhì)量傳輸是確保地下礦山智能采礦的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于地下礦山環(huán)境特殊、開拓采準(zhǔn)工程復(fù)雜，普通的公共通訊系統(tǒng)無法滿足地下礦山高質(zhì)量通訊要求。特別是隨著礦山信息化的發(fā)展，越來越多的智能采礦機(jī)械設(shè)備、六大監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息需要高質(zhì)量、快速地傳輸至中央控制室，導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)流量涌入了網(wǎng)絡(luò)中，特別是 5G［1-3］、井下物聯(lián)網(wǎng)［4-6］等新興通訊技術(shù)的興起，更是給礦山帶來了多樣化的信息服務(wù)，把礦山生產(chǎn)推向了大數(shù)據(jù)時(shí)代［7-9］。礦山大數(shù)據(jù)的誕生進(jìn)一步促進(jìn)了礦山通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，同時(shí)也對地下礦山數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求，因此如何能夠以低成本、低延遲和高速率的方式為地下礦山采集數(shù)據(jù)的交換、傳輸提供網(wǎng)絡(luò)支持十分關(guān)鍵。波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）［10-11］技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)中。WDM光網(wǎng)絡(luò)中的頻譜被劃分為固定粒度的波長，通過選擇合適的光路徑以及分配恰當(dāng)?shù)牟ㄩL來提供大容量的業(yè)務(wù)傳輸。與此同時(shí)，使用OpenFlow協(xié)議的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-defined Networking，SDN）［12-13］，使用集中控制器來控制網(wǎng)絡(luò)。SDN通過將控制平面與底層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離來打破來自礦山不同監(jiān)測點(diǎn)信息傳遞垂直方向的僵化問題，促進(jìn)了對網(wǎng)絡(luò)流量的靈活集中和細(xì)粒度分支點(diǎn)控制，并為井下智能設(shè)備的接口信息傳遞提供可編程性、自動化以及網(wǎng)絡(luò)的控制能力。因此，SDN與WDM光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合［14］能夠提供可定制化、高效的井下礦山信息通訊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。

雖然波分復(fù)用WDM網(wǎng)絡(luò)中的波長粒度是單一的，但是它也帶來了一定的優(yōu)勢：不會產(chǎn)生類似于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）［15-16］光網(wǎng)絡(luò)中的頻譜碎片。然而，WDM同樣面臨著如何構(gòu)建大容量的虛擬網(wǎng)絡(luò)的問題。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是能夠?qū)崟r(shí)獲得WDM網(wǎng)絡(luò)中的波長使用情況，因此，地下礦山光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)通過使用集中控制而不是分布式方式，這需要研究大容量的路由與波長分配（Routing and Wavelength Assignment，RWA）算法，實(shí)現(xiàn)地下礦山采集數(shù)據(jù)信息的低成本、低延遲和高速率傳輸。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

在SDN網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，控制策略在邏輯集中的控制器中實(shí)現(xiàn)。OpenFlow通常被定義為開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在SDN中能夠在控制平面和數(shù)據(jù)平面之間提供通信接口。受益于集中控制機(jī)制和數(shù)據(jù)平面白盒化趨勢，OpenFlow可以對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)地下礦山不同分支網(wǎng)絡(luò)光交換節(jié)點(diǎn)的虛擬化，例如，將帶寬可變光交叉連接（Bandwidthvariable Optical Cross-connect，BV-OXC）和邊緣路由器（Edge Router，ER）抽象為通用功能集，并根據(jù)數(shù)據(jù)流來解釋這些功能，即可以基于流表來識別、表征和操縱數(shù)據(jù)。

軟件定義的WDM光網(wǎng)絡(luò)可以被描述成一個(gè)無向圖G(V,E)，其中V代表BV-OXC的集合，E為連接BV-OXC雙向光纖鏈路的集合。其中，每一條光纖鏈路最多能夠容納B的帶寬，以GHz為單位，并且光譜被分成W個(gè)波長。例如，波分復(fù)用WDM網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)波長信道的固定粒度為Bλ=50 GHz，那么可以通過得到W。為了支持高動態(tài)流量，BV-OXC支持光—電—光（Optical-to-electrical-to-optical，O/E/O）轉(zhuǎn)換，即將光域信號轉(zhuǎn)換到電域來進(jìn)行操作，操作之后再轉(zhuǎn)換成光域信號來傳輸。因此，可以在光路中的兩個(gè)不同鏈路之間的中間節(jié)點(diǎn)處執(zhí)行O/E/O轉(zhuǎn)換，進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換。業(yè)務(wù)請求由3元組模型r(s,d,b),?r∈R表示，其中s為源節(jié)點(diǎn)，d為目的節(jié)點(diǎn)，而b表示W(wǎng)DM業(yè)務(wù)請求的容量需求。在WDM光網(wǎng)絡(luò)中，所有業(yè)務(wù)請求具有相同的帶寬需求，即一個(gè)波長的帶寬需求，b=OC_1。此外，一些變量定義如下：λ代表一個(gè)光纖鏈路中波長的索引號，其中?λ∈[1,W]。：一個(gè)二進(jìn)制變量，如果服務(wù)請求r被映射在了底層光路徑p上，其值等于1；否則，取值為0。：一個(gè)二進(jìn)制變量，如果服務(wù)請求r消耗了底層光纖鏈路e上的波長λ，其等于1；否則，取值為0。：一個(gè)二進(jìn)制變量，如果服務(wù)請求r訂閱了WDM網(wǎng)絡(luò)中的光纖鏈路e，其值等于1；否則，取值為0。

2 優(yōu)化目標(biāo)

首先對于地下礦山光網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，需要定義光纖鏈路的容量為c(u,v)，并且f(u,v)是從節(jié)點(diǎn)u到節(jié)點(diǎn)v通過光纖鏈路的總流量之和。因此，鏈路的剩余容量為cf(u,v)=c(u,v)-f(u,v)。給定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)G*(V*,E*)和一個(gè)流f，則由f所誘導(dǎo)的圖G*的殘存網(wǎng)絡(luò)為，其中，應(yīng)只包含剩余容量大于0的邊：。

對于WDM光網(wǎng)絡(luò)，由于引入了O/E/O轉(zhuǎn)換，因此可以忽略波長一致性的約束。所以，優(yōu)化目標(biāo)是最小化阻塞率，如式（1）所示。目標(biāo)函數(shù)中的第一項(xiàng)是最小化所用波長的索引號，第二項(xiàng)則盡可能減少了O/E/O轉(zhuǎn)換的總次數(shù)。除滿足式（2）至式（4）約束外，還應(yīng)滿足式（5）至式（10）的流守恒相關(guān)約束。

路徑選擇唯一性約束：

一個(gè)業(yè)務(wù)請求只能選擇一條光路來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，因此式（2）約束了一個(gè)業(yè)務(wù)請求r只能選擇一條光路p。

波長唯一性約束為

式（3）反映出光纖鏈路e中一次只能有一個(gè)波長λ可以用于服務(wù)業(yè)務(wù)請求r。

波長總?cè)萘考s束為

式（4）表示光纖鏈路上的最大業(yè)務(wù)需求數(shù)量受波長總數(shù)的限制。

鏈路容量約束為

式（5）確保通過光纖鏈路的總流量小于或等于鏈路容量。

中間節(jié)點(diǎn)流量守恒約束為

式（6）確保了每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)上的輸入和輸出流的數(shù)量相等。

源節(jié)點(diǎn)的輸入流量約束為

該式確保源節(jié)點(diǎn)的輸入流的數(shù)量等于0。

目的節(jié)點(diǎn)的輸出流量約束為

該式確保了目的節(jié)點(diǎn)的輸出流的數(shù)量等于0。

收發(fā)兩端的流量相等約束為

該式可確保來自源節(jié)點(diǎn)的輸出流的數(shù)量等于到目的節(jié)點(diǎn)的輸入流的數(shù)量。

3 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

針對某地下礦山部署廣泛的波分復(fù)用WDM光網(wǎng)絡(luò)，數(shù)值仿真對比分析了3種大容量的路由與波長分配RWA算法，分別是最大容量優(yōu)先算法（Maximize Capacity First，MCF）、最短距離優(yōu)先（Shortest Distance First，SDF）算法和最大容量/跳數(shù)優(yōu)先（Maximize Capacity-over-hops First，MCHF）算法。拓?fù)洳捎肗SFNET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，每條光纖鏈路中設(shè)置40個(gè)波長，每個(gè)波長占用50 GHz的頻譜寬度。所有固定粒度業(yè)務(wù)請求的源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)產(chǎn)生，并且具有相同的帶寬需求，即一個(gè)波長。此外，網(wǎng)絡(luò)支持二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK），正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK），8進(jìn)制正交幅度調(diào)制（8-ary Quadrature Amplitude Modulation，8-QAM）和16-QAM 4種調(diào)制格式。高等級的調(diào)制格式具有短的傳輸距離，而長距離的傳輸可以選擇低等級的調(diào)制格式，例如：BPSK的傳輸距離可以達(dá)到3 000 km以上，而16-QAM最大的傳輸距離不超過700 km。雖然，高等級的調(diào)制格式傳輸距離短，但是它具有較高的頻譜效率。

圖1統(tǒng)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)阻塞率隨業(yè)務(wù)請求數(shù)的變化情況。隨著地下礦山分支網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)請求數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)的阻塞率也隨之增加，并且MCHF算法較MCF和SDF算法有最低的阻塞率。當(dāng)分支網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)請求數(shù)為600時(shí)，MCHF算法的阻塞率為0，而MCF和SDF算法的阻塞率分別為0.036 6和0.046 6。因此，可以明顯看出，與MCF和SDF算法比較，MCHF算法具有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)承載能力。

3種算法的平均傳輸距離如圖2所示。由圖2可知：平均傳輸距離隨著業(yè)務(wù)請求數(shù)的增加而減小。平均傳輸距離逐漸減小的原因是隨著分支網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)請求數(shù)的線性增大，阻塞率逐漸增大，造成總傳輸距離增長緩慢，進(jìn)而使總傳輸距離與總業(yè)務(wù)數(shù)的比值逐漸減小。由于SDF算法總是選擇最短距離的路徑，在3種算法中，SDF算法具有最小的平均傳輸距離。

圖3和圖4分別記錄了3種算法的平均頻譜效率和平均O/E/O轉(zhuǎn)換次數(shù)。在3種算法中，MCHF算法擁有最高的平均頻譜效率，本研究將頻譜效率定義為波長容量除以波長帶寬，單位為bps/Hz。采用BPSK調(diào)制格式的波長容量是100 Gbps，而一個(gè)波長的帶寬是50 GHz，因此，采用BPSK調(diào)制格式的波長頻譜效率為2 bps/Hz。從而可以推導(dǎo)出采用QPSK、8-QAM和16-QAM調(diào)制格式的頻譜效率分別是4、6和8 bps/Hz。由圖4可以看出，MCHF算法具有最低的O/E/O轉(zhuǎn)換次數(shù)，不同鏈路使用不同的波長傳輸同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需要在中間節(jié)點(diǎn)發(fā)生一次O/E/O波長轉(zhuǎn)換。綜合分析可知，雖然最短距離路徑可以使用較高等級的調(diào)制格式，帶來高利用率的頻譜效率，但當(dāng)?shù)叵碌V山光網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)信息量較大時(shí)，容易出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布不均衡。MCHF算法可以在保證更大網(wǎng)絡(luò)容納量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)理想均衡的傳輸距離，從而帶來更大的平均頻譜效率和更小的O/E/O轉(zhuǎn)換次數(shù)。

4 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)地下礦山復(fù)雜通訊光網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定、高效傳輸，基于軟件定義波分復(fù)用WDM光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)了MCHF大容量路由與波長分配算法，相較于SDF和MCF算法，MCHF算法具有較低的阻塞率。因此，采用地下礦山中央主控網(wǎng)絡(luò)傳輸，既能滿足地下礦山采集的大數(shù)據(jù)信息承載能力和網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的利用效率，同時(shí)保證所采集的大數(shù)據(jù)信息低成本、低延遲和高速率傳輸，同時(shí)證實(shí)了所設(shè)計(jì)的大容量路由與波長分配算法的可行性與有效性。此外，MCHF算法擁有較高的平均頻譜效率和較低的平均O/E/O轉(zhuǎn)換次數(shù)，在提高網(wǎng)絡(luò)頻譜資源利用率的同時(shí)能夠減少端到端的傳輸時(shí)延。