WDM網(wǎng)絡(luò)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(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046）

0 引言

在波分復(fù)用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）光網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)光信號(hào)在通路中傳輸時(shí)，會(huì)受到來自物理層的各種傳輸損傷的影響，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，當(dāng)損傷積累到一定程度，會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)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(tǒng)的損傷評(píng)估，往往采用對(duì)單一損傷進(jìn)行評(píng)估，此算法將多種物理損傷，均量化為統(tǒng)一的鏈路權(quán)值Ci，以反映每條光路的信號(hào)質(zhì)量劣化的程度，最終選出光信號(hào)質(zhì)量足夠好的路徑，有效的規(guī)避了多種物理損傷的影響。

目前一些相關(guān)文獻(xiàn)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(hào)質(zhì)量評(píng)估的唯一參數(shù)，使ICBR算法僅在一定程度上克服信號(hào)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(píng)估光信號(hào)質(zhì)量，最終選定最佳性能路徑，保障了為每個(gè)連接請(qǐng)求提供滿足服務(wù)質(zhì)量要求的最佳光路。

考慮到波長連續(xù)性的限制，傳統(tǒng) ICBR算法采用簡(jiǎn)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(gè)波長的拓?fù)鋵訉ふ衣窂剑灰新窂酱嬖诰筒粫?huì)阻塞[4]，大大改善了網(wǎng)絡(luò)的阻塞性能，且資源利用率較高。

1 物理損傷評(píng)估

1.1 物理損傷因素

光信號(hào)在通路中傳播會(huì)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(fā)輻射噪聲(ASE，Amplified Spontaneous Emission)、四波混頻效應(yīng)(FWM，F(xiàn)our Wave Mixing)、自相位調(diào)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(diào)制(XPM，Cross-Phase Modulation)，文中通過參數(shù)分別度量這些物理損傷對(duì)鏈路i所造成的影響。

1) 第i條鏈路上ASE噪聲引起的信號(hào)質(zhì)量劣化的方差：

式中，R是接收機(jī)響應(yīng)度，Pavg是接收機(jī)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(jī)的光帶寬、電帶寬。

2) 由SPM / GVD效應(yīng)導(dǎo)致的眼圖閉合代價(jià)：

式中，Vu,1、Vu,o分別代表未受物理損傷時(shí)“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(diào)制引起的信號(hào)質(zhì)量劣化的方差：

4) 四波混頻引起的信號(hào)質(zhì)量劣化的方差：

式中，R為接收機(jī)響應(yīng)度，tP為發(fā)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(shí)FWM功率和，第2種情況代表fa≠fb≠fc，但fc=fm時(shí)FWM功率和，第 3種情況代表fa=fb≠fc≠fm時(shí)，F(xiàn)WM功率和。

1.2 鏈路i的物理損傷權(quán)值

將多種物理損傷量化為統(tǒng)一的鏈路權(quán)值Ci，以反映光路 i的信號(hào)質(zhì)量劣化程度，最終選出一條鏈路權(quán)值和最小，即光信號(hào)質(zhì)量足夠好的路徑，有效規(guī)避了多種物理損傷的影響。鏈路權(quán)值Ci計(jì)算公式為：

2 網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估

通過對(duì)選定的路由進(jìn)行光信號(hào)質(zhì)量評(píng)估，選出一條具有較高服務(wù)質(zhì)量的路由，從而提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。文中采用的評(píng)估因子有OSNR和Q因子。OSNR是衡量光路性能的重要指標(biāo)，Q因子通過將物理損傷因素考慮在內(nèi)，進(jìn)一步準(zhǔn)確的反映了光信號(hào)的物理性能。

2.1 OSNR值

OSNR是一個(gè)十分重要的參數(shù)，能夠比較準(zhǔn)確的反映光信號(hào)質(zhì)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(wǎng)絡(luò)單元的輸入端光功率（dBm），NF1，NF2，…，NFN是放大器或其他光網(wǎng)絡(luò)單元的噪音系數(shù)（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(jì)算：

2.2 Q因子

所謂Q因子就是在最佳判決點(diǎn)信號(hào)和噪聲的比值，其最終決定了物理層系統(tǒng)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(hào)質(zhì)量，可通過Qp來評(píng)估[4]：

式中，tP是發(fā)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(hào)的誤碼率為：

3 分層圖模型

傳統(tǒng)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)中波長連續(xù)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(jié)合，一個(gè)波長分成一個(gè)拓?fù)鋵樱僭诿總€(gè)波長拓?fù)鋵由希捎?Dijkstra算法查找各鏈路的物理損傷權(quán)值和最小的路由。由于是在每個(gè)波長的拓?fù)鋵訉ふ衣窂剑灾灰新窂酱嬖诰筒粫?huì)阻塞[6]，大幅度改善了網(wǎng)絡(luò)的阻塞性能。

分層圖模型定義：網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)錇镚(V,E,W)，V表示節(jié)點(diǎn)集合，E表示鏈路集合，W表示可用波長集合。將該物理拓?fù)鋸?fù)制W份，形成分層圖中的W個(gè)波長拓?fù)鋵樱缓笤谶@W個(gè)波長拓?fù)鋵由戏謩e計(jì)算源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(yù)處理階段

開始時(shí)，預(yù)處理階段收集與網(wǎng)絡(luò)和流量需求相關(guān)的所有信息。如：網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，鏈路容量，每段光纖的發(fā)射功率，放大器的噪聲系數(shù)等物理損傷評(píng)估算法所需要的參數(shù)。根據(jù)所收集的信息，計(jì)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(quán)值。

（2）路由和波長分配階段

采用分層圖模型與Dijkstra算法相結(jié)合。首先，將物理拓?fù)銰(V,E,W)復(fù)制為W個(gè)波長拓?fù)鋵樱儆肈ijkstra算法（融入物理損傷作為鏈路的權(quán)值）計(jì)算每個(gè)波長拓?fù)鋵由系臋?quán)值和最小的路徑。若W層均未查找到有效路徑，則連接請(qǐng)求被阻塞；否則進(jìn)入物理損傷評(píng)估階段。

（3）物理損傷評(píng)估階段

物理損傷約束評(píng)估階段，基于路徑中的所有物理損傷，驗(yàn)證Q因子（或BER）和OSNR。首先預(yù)定門限值：Q因子＞7（相當(dāng)于BER＜10-12），OSNR＞21 dB。當(dāng)在目的節(jié)點(diǎn)的Q因子（或BER）和OSNR同時(shí)滿足門限值時(shí)，此路徑是滿足業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求的，連接被建立；否則連接請(qǐng)求被阻塞。

基于分層圖的ICBR算法流程如圖2所示。

5 結(jié)語

物理損傷導(dǎo)致的信號(hào)質(zhì)量劣化已成為限制WDM網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)一的鏈路權(quán)值Ci，以反映每條光路的信號(hào)質(zhì)量劣化的程度，最終選出光信號(hào)足夠好質(zhì)量的路徑，有效的規(guī)避了多種物理損傷的影響。在實(shí)際WDM網(wǎng)絡(luò)中，考慮到波長連續(xù)性的限制，將分層圖模型與傳統(tǒng)的ICBR算法相結(jié)合，降低了網(wǎng)絡(luò)的阻塞率，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

[1] 熊余.波長路由網(wǎng)絡(luò)選路時(shí)的光信號(hào)質(zhì)量限制研究[J].通信技術(shù),2008,41(09):123-124.

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[6] 陳卓.動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中面向約束的路由和波長分配算法[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008:30-31.