多芯光纖中串擾感知的路由頻譜分配算法

熊琪樂，劉煥淋，劉欣悅

(重慶郵電大學 a.通信與信息工程學院; b.先進制造工程學院，重慶 400065)

0 引 言

隨著5G移動網絡、物聯網和云計算等新興技術的快速發展，多樣化和多元化的網絡業務使得以IP業務為代表的業務量呈現出指數級增長[1]。基于正交頻分復用技術的彈性光網絡(Elastic Optical Networks, EONs)和空分復用(Space Division Multiplexing, SDM)技術的應用能更好地適應多樣化的業務及傳輸容量需求[2-3]。本文主要研究多芯光纖(Multi-Core Fiber, MCF)承載的動態業務下的路由頻譜纖芯分配(Routing, Spectrum and Core Allocation, RSCA)問題。

文獻[4]提出的纖芯優先級排序算法能在一定程度上避免芯間串擾(Inter Core Crosstalk, ICXT)問題；文獻[5]提出了“四色原則”，進一步對MCF進行了分組操作；文獻[6]設計了一種可重構的光分叉復用器，降低了SDM技術下可重構分插復用器的結構復雜度并減少了消耗的器件數目；文獻[7]分析了基于路徑型和鏈路型纖芯交換的區別；文獻[8]系統地介紹了ICXT的幾種類型，能夠避免過保護現象。

基于以上分析，針對SDM-EONs下的資源分配問題，本文提出了動態路由和串擾感知算法，該算法不僅能夠根據動態業務自適應調整路由策略，同時還減少了ICXT的影響，降低了系統阻塞率并提高了吞吐量。

1 問題描述

1.1 ICXT問題

由于MCF的物理結構特點，同一光纖內的纖芯間沒有物理包層隔絕，在傳輸光信號時會因為光功率泄漏而導致ICXT問題，而且串擾問題會隨著業務量以及傳輸距離的增加而變得更加嚴重，限制了SDM技術所帶來的容量優勢，影響了網絡傳輸性能[9-11]。圖1所示為ICXT示意圖。

圖1 ICXT示意圖

目前，MCF中ICXT普遍被定義為

式中：h為ICXT增量；x、r、β和q分別為耦合系數、彎曲半徑、傳播常數和芯間距；XTav為ICXT平均值；n為相鄰纖芯數；L為光纖傳輸距離。

1.2 RSCA問題

區別于傳統波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)網絡， EONs具有更加靈活的頻譜分配方式，能夠以更細粒度的頻隙(如12.5 GHz)代替WDM網絡的子載波(如100 GHz)，使得載波能夠更好地適應不同類型的業務需求，但與此同時，其資源分配算法也將從傳統的路由波長分配(Routing Wavelength Allocation, RWA)問題變為更加復雜的路由頻譜分配(Routing Spectrum Allocation, RSA)問題，其復雜度已被證明為非確定性多項式完備問題。而隨著SDM(MCF)技術的引入，雖然其帶來了單模單芯光纖成倍的傳輸容量優勢，但空間維度的引入進一步增加了原RSA問題求解的復雜度，將原RSA問題轉變為了RSCA問題。因此，設計一個合理有效的啟發式算法不僅能夠降低算法的時間復雜度，同時還能夠高效可靠地利用現有的物理資源降低業務傳輸的失敗概率，提高資源利用率。

2 RSCA算法

2.1 動態路由子算法

在資源分配的初始階段，首先應該為到來的業務選擇傳輸路徑。而傳統的最短路徑算法是根據業務請求的源目的節點靜態地計算出最短跳數或最短物理距離的候選路徑，無法根據全網的負載和能耗情況做出動態調整。

本算法首先設計了一個候選路徑優先級排序公式，不僅考慮了物理跳數，同時還將動態系統路徑和鏈路負載情況考慮了進去：

路徑k頻譜利用率計算公式為

2.2 串擾感知算法

串擾感知算法的具體步驟如下：

步驟1:輸入：業務請求(s,d,r)，s、d、和r分別為源節點、目的節點和請求速率，纖芯優先級分組集合Gi，對應頻譜分區集合Si。選定候選路徑p。

步驟2:對于每條屬于p的鏈路li其中的每一個候選纖芯c,遍歷其頻譜資源，尋找能夠滿足請求速率為r的業務的空閑頻譜塊數目。若可用資源非空，則進入步驟3，否則循環此步驟至遍歷完所有纖芯。

步驟3:對每個空閑頻譜FSi，從其起始頻隙fs開始，計算新加入的串擾值XTa，以及活躍的相鄰纖芯對本頻隙的串擾值XTb。分別判斷XTa和XTb與串擾門限值的關系，若均未超過門限，則跳出步驟3并返回True，否則重復本步驟檢查下一個空閑頻譜塊FSi+1,直至檢查完所有可用空閑頻譜塊。

步驟4:若該候選路徑p中所有的纖芯都不能滿足該請求速率為r的業務，則返回False。

3 仿真與分析

為了驗證本文算法的性能，本文將以中國拓撲為仿真對象。本文主要針對7芯光纖進行仿真，在ICXT改善環節會對具有高串擾的19芯進行仿真。仿真業務數目為十萬個，業務到達服從參數為λ的泊松分布，持續時間服從參數為μ的負指數分布，算法中對業務進行歸一化處理。

本文首先以經典K條最短路徑首次匹配(K-Shortest Path First Fit,KSP-FF)算法為基準算法，對比算法分別為按需結構(Architecture of Demand, AoD)算法[12]和纖芯分組(Core Grouping, CG)算法[13]。

圖2所示為網絡拓撲下帶寬阻塞率性能，本文算法為藍色實線。由圖可知，基準算法KSP-FF帶寬阻塞率最高，AoD與CG算法其次，而本文提出的算法在阻塞率性能上表現優異。在相同業務負載下其帶寬阻塞率明顯比其他對比算法要低。這是由于本文不僅考慮了動態路由機制，還把ICXT 的影響作為重要的度量，設計了串擾感知算法，進一步降低了帶寬阻塞率。

圖2 帶寬阻塞率性能

圖3和4所示分別為7芯和19芯MCF在美國電信網絡(USNET)中針對不同算法與基準KSP-FF相比較的ICXT改善效果。由于公式以KSP-FF算法為基準，在業務負載較低時，MCF中資源充裕，不會出現資源不夠用的情況，所以在起始負載為0.1時，本文算法和CG算法相比于基準KSP-FF算法均只有20%左右的提升，隨著業務量的增長，性能差距逐漸明顯，這是因為被動的串擾避免方案只能在網絡初始化階段對纖芯和頻隙進行分組操作，當業務負載較大時，所有無串擾分組都滿載，算法性能將會嚴重受限。

圖3 7芯MCF中串擾改善率

圖4 19芯MCF中串擾改善率

4 結束語

本文針對SDM-EONs中動態資源分配問題，提出了一種基于動態路由與串擾感知的資源分配算法。首先設計了一種候選路徑排序公式來綜合性地對候選路徑集進行排序，不僅考慮了物理跳數，還將鏈路利用率和剩余頻譜資源作為重要度量參數。同時，設計了串擾感知算法判斷IXCT情況，盡可能地降低串擾對系統阻塞率和吞吐量性能的影響。仿真結果表明，本算法在串擾解決和降低阻塞率等方面成效明顯。