基于頻譜連續度的多維光網絡資源優化技術研究＊

胡李亞洲，王曉軍，洪 曄，馬銳軍，歐陽劍

（廣東技術師范大學，廣東 廣州 510665）

隨著互聯網應用技術日益發展，網絡帶寬需求以每年10%的速度迅速增長，光傳輸網正朝著大容量、IP化方向迅猛發展。一般而言，光纖鏈路擴容技術依附不同維度的多路復用技術，如波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術、正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術、時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）技術等[1]。傳統的波分復用光網絡商業化良好，已廣泛應用于當前的主干網和接入網中，它以固定大小的波長作為最小顆粒度進行業務帶寬分配，但是這種方式難以適應不同顆粒度的業務請求，導致資源利用率偏低。為提高資源分配靈活性，減少資源的過度浪費，一種基于OFDM技術的彈性光網絡（Elastic Optical Networks，EONs）應運而生。EONs具備可變顆粒度分配能力，以頻譜隙（Frequency Slot，FS）作為最小顆粒度資源，支持超波長傳輸，能夠按需配置適合的調制格式與頻譜柵格，從而減少了帶寬資源的浪費，提高了資源利用率。運營商的移動數據流量正在以高增長率趨勢增長，導致光網絡容量問題逐漸凸顯，基于單芯光纖和單模光纖的傳輸容量幾乎達到物理極限，空分復用彈性光網絡（Space Division Multiplexing-Elastic Optical Networks，SDM-EONs）應運而生。其中，SDM技術可以通過多芯光纖（MCF）、少模光纖（FMF）等傳輸媒介實現[2]，其中多芯光纖彈性光網絡被認為是未來光網絡發展的必然趨勢。因此，本文主要探討多芯光纖彈性光網絡中的資源優化問題。

1 多芯彈性光網絡特征概述

1.1 多芯光纖結構

多芯光纖由不同數量的纖芯組成，每個纖芯中的頻譜隙是多芯彈性光網絡的核心網絡資源。頻譜隙作為基本的網絡帶寬單元，需要遵循頻譜連續性約束、頻譜一致性約束等資源分配規則。端到端業務在光路上必須占用不同纖芯上相同頻譜隙編號的位置進行信息傳輸，纖芯編號可自由選擇和切換；端到端業務由同一纖芯的頻譜隙資源來承載時，必須遵循頻譜隙編號始終保持連續的原則，不可跳隙分配資源。光纖纖芯應采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）信道調制技術，可以有效對抗信號波形之間的干擾，保證帶寬傳輸效率，確保可靠的信號傳輸。光纖收發器資源由收發器資源池組成，可以根據流量需求提供匹配的子收發器，進行信號的有效傳輸。

在光纖交換結構中，光纖交換、纖芯交換和頻譜交換等資源交換的功能都可以實現，并且支持添加、刪除和切換不同的靈活信道，其資源粒度可以到達波長層面。纖芯間頻譜資源交換結構如圖1所示，在光纖交換結構中不同頻譜隙可以在不同的纖芯之間進行切換，但在此過程中端到端業務必須遵循頻譜連續性約束，這意味著信號可以在保持相同頻譜段編號的情況下在纖芯間自由切換。

圖1 纖芯間頻譜資源交換結構

1.2 物理串擾約束

多芯彈性光網絡在資源分配過程需要考慮多方面約束限制，其中一個是特有的物理約束，稱為芯間串擾。在光纖中耦合了多條纖芯，以此擴充傳輸容量，但在信號傳輸過程中可能會受到相鄰纖芯信號的干擾，從而嚴重影響信號質量，導致長距離高保質傳輸難以與高容量優勢并存，這一問題引起了研究學者的密切關注與研究，如何使緊密的纖芯排列與微弱的相鄰纖芯間串擾相互融合，有研究學者提出了一種溝槽型多芯光纖結構[3]，如圖2所示的7芯光纖結構。此結構光纖中部放置1個纖芯，其余6個纖芯按照順時針方向組合，中心纖芯承載著最嚴重的串擾；文獻[4]提出了一種基于耦合源理論下的纖芯間串擾計算公式，對纖芯間串擾進行量化評估。

圖2 7芯光纖內部結構

1.3 面臨問題與挑戰

將多芯光纖技術引入彈性光網絡中，雖然網絡傳輸容量得到了擴展，但也給光網絡帶來了新的問題和挑戰，一方面是頻域與空域資源路由分配問題，另一方面是頻域與空域資源碎片化問題。將多芯彈性光網絡引入空間維度，在資源分配過程中要考慮3種因素，即路由、纖芯與頻譜，稱之為路由、纖芯與頻譜分配算法（Routing、Spectrum and Core、RSCA）。需要考慮的特征約束如下：頻譜一致性約束，端到端服務必須沿著光路徑使用相同的頻譜隙資源；頻譜連續性約束，端到端服務在同一纖芯內承載的頻譜隙在頻域中嚴格連續；物理纖芯間串擾約束，相鄰纖芯間傳輸信號會產生干擾。

在多芯彈性光網絡中，不同業務動態地到達和離去，網絡中不斷地發生大量建路、拆路事件，頻譜資源被釋放出來，而后又被重新啟用再分配以支持新到達的業務。由于頻譜分配必須遵循頻譜一致性和頻譜連續性等多重約束，頻繁地占用與釋放導致頻譜資源十分零散，形成了大量頻域的資源碎片[5]，這些碎片資源難以被利用以服務新業務，造成業務阻塞，網絡性能較差。同時，由于纖芯間串擾物理約束，碎片化問題亦隨之空域化，使得資源狀態更加復雜棘手，網絡資源利用率大幅度降低，研究多芯光纖彈性光網絡的碎片資源優化問題顯得十分必要和迫切。

2 多芯彈性光網絡資源優化策略

2.1 基于頻譜連續度的資源描述模型

多維光網絡物理底層資源多樣且狀態復雜，存在物理底層光節點集合、光纖鏈路集合、不同鏈路纖芯集合及不同纖芯頻譜隙集合。有研究學者[6]采用方形矩陣描述不同集合之間的關系，矩陣編號代表資源所在位置，矩陣元素代表資源占用狀態，一旦網絡中有端到端請求到達，在滿足各種物理約束情況下，選擇合適調制格式，從而選定請求資源路徑。在資源分配過程中，量化鏈路上空閑頻譜資源是十分必要的，可大大提高頻譜資源匹配速率，文獻[7]提出一種衡量頻譜資源占用與空閑程度的變量，即頻譜連續度。它代表網絡中空閑頻譜資源可用性大小，頻譜連續度越大，可用空閑頻譜段越規整，能容納新端到端連接請求的概率越大。基于頻譜連續度的資源描述模型能夠有效地評估網絡頻譜狀態，直觀表現可用空閑頻譜資源，在資源分配過程中有效避免大量零散頻譜碎片的產生。

式（1）中：SCc，l為鏈路l上纖芯c的頻譜連續度；為鏈路l的纖芯c上占用的最大頻譜隙編號；為鏈路l的纖芯c上占用的最小頻譜隙編號；為鏈路l的纖芯c上第i個頻譜段占用的頻譜隙總個數；Gc，l為鏈路l的纖芯c上空閑頻譜隙總個數；為鏈路l的纖芯c上可用頻譜塊總個數。

基于頻譜連續度的串擾感知資源分配算法，能夠有效利用纖芯資源，本文采用基于首次命中方式的串擾感知資源分配算法作為基準對比算法（First Fit RSCA，FF-RSCA），以此參照評估本文提出的串擾感知資源優化策略效果。

2.2 基于頻譜連續度的串擾感知資源優化策略

本文提出的資源優化過程分為3步：①參數預判階段，根據業務請求帶寬大小，歸類為不同的業務集合；②路由、纖芯與頻譜分配過程，將串擾感知與頻譜連續度兩者結合為權重因子，權重因子越大，容納即將到達業務可能性越大；③碎片重構階段，以權重因子作為判決機制，超過閾值則觸發頻譜重構策略，在超閾值鏈路上執行頻譜重構策略。其中鏈路上頻譜重構主要過程分2步：不同纖芯的同頻段調整和同纖芯的不同頻譜遷移。通過調整頻譜重構策略后，鏈路集合的權重因子均低于閾值，則說明此策略有效改變了網絡鏈路資源的碎片化程度，有效規整了頻譜分布的位置，能夠容納更多業務請求。在頻譜重構過程中，難免會消耗搬移次數、重構時間及業務中斷時間等負面成本。圖3展示了該資源優化算法（First Fit Proposal Algorithm，圖中簡稱為“FF-PA”）與FF-RSCA算法在不同業務量下阻塞率性能曲線、資源利用率性能曲線，其中權重因子閾值設定為10。實驗結果表明，經過串擾感知頻譜重構策略后的網絡鏈路狀態明顯優于FF-RSCA，主要體現在提高資源利用效率、降低阻塞率等方面，有效優化了頻譜資源，極大改善了網絡運行性能。

圖3 實驗結果曲線

3 結語

在互聯網高帶寬應用數據量呈現指數化增長的背景下，多芯彈性光網絡承載著高容量和高速率的動態業務，隨著動態業務不斷到達和離去，網絡中產生了大量的頻譜資源碎片，造成了資源的嚴重浪費。本文提出了一種基于頻譜連續度的串擾感知資源優化策略，實驗結果表明，該算法有較強的魯棒性和高效性，通過對光鏈路中資源碎片進行周期性重構，有效提升了多芯彈性光網絡性能。