衛(wèi)星融合交換系統(tǒng)負(fù)載均衡異構(gòu)路徑算法

李靜玲，黎軍，張怡，崔濤，梁薇

中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100

空間信息網(wǎng)絡(luò)中的微波激光混合通信技術(shù)集成了微波通信的高靈活性和激光傳輸?shù)拇髱挕⒌蛽p耗、高電磁兼容性的優(yōu)勢(shì)[1]。未來(lái)的空間信息網(wǎng)絡(luò)必然是微波、激光等多種異構(gòu)信息混合組網(wǎng)的形式，因此如何解決異構(gòu)信息在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的混合交換成為未來(lái)空間異構(gòu)信息組網(wǎng)的關(guān)鍵問題之一[2-3]。

地面網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展促使路由與交換技術(shù)不斷突破，其中光網(wǎng)絡(luò)由最初的SDH、MSTP、WDM、PTN/OTN逐漸演化到POTN，光、分組業(yè)務(wù)的路由與交換技術(shù)也由各自封閉獨(dú)立逐漸發(fā)展到相互融合[4]。其中，POTN網(wǎng)絡(luò)[5-6]集成了WDM/ROADM光層、SDH/OTN層和分組傳送層等的優(yōu)良特性，在OTN層實(shí)現(xiàn)分組和電路業(yè)務(wù)的接入、匯聚和疏導(dǎo)，在光層實(shí)現(xiàn)損傷感知以及帶寬可變光波長(zhǎng)級(jí)交換，但光骨干業(yè)務(wù)采用全光交換方式，將光、分組業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為電業(yè)務(wù)進(jìn)行分組交換，光、分組業(yè)務(wù)的交換屬于不同分層，并沒有在統(tǒng)一的交換系統(tǒng)中進(jìn)行。在管理與控制面，地面通用多協(xié)議標(biāo)簽交換(GMPLS)[7-8]對(duì)光、分組業(yè)務(wù)進(jìn)行一體化標(biāo)記，促進(jìn)了光層與IP層的有機(jī)聯(lián)系，使得以光物理層為代表的傳輸網(wǎng)與以IP分組為代表的業(yè)務(wù)網(wǎng)進(jìn)一步融合。

由地面光、電網(wǎng)絡(luò)的演化進(jìn)展可以看到，光電進(jìn)行深度融合是其技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，光電交換也在進(jìn)一步融合。

隨著與地面網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步融合，空間信息網(wǎng)絡(luò)包括大量異構(gòu)信息的聚合、分發(fā)、管理和控制，異構(gòu)信息交換可能發(fā)生在物理層、鏈路層或網(wǎng)絡(luò)層，僅靠現(xiàn)有的光交換或分組交換等獨(dú)立交換方式或其簡(jiǎn)單組合形式，都無(wú)法適應(yīng)空間信息的交換需求。文獻(xiàn)[9]提出由于星上資源的有限性，可借鑒光突發(fā)交換思想，在邊緣節(jié)點(diǎn)將控制信息采用分組格式封裝，提前發(fā)送進(jìn)行資源預(yù)留，核心節(jié)點(diǎn)根據(jù)控制信息對(duì)突發(fā)包光域交換。但該方法還是一種光交換方式，沒有解決空間網(wǎng)絡(luò)多顆粒度統(tǒng)一交換問題。文獻(xiàn)[10]提出一種分布式交換模型，分別構(gòu)建不同的光、分組交換矩陣模型，再通過交換矩陣模型的組合來(lái)完成多顆粒度業(yè)務(wù)的交換。文獻(xiàn)[11]提出一種光電融合交換信令模型，可對(duì)光電路徑進(jìn)行一體化預(yù)約。文獻(xiàn)[1]提出空間光、射頻、分組融合交換的概念，指出其異構(gòu)及多顆粒度等交換特點(diǎn)，并提出融合交換內(nèi)部多路徑智能選擇問題。

由上述內(nèi)容可知，衛(wèi)星光電融合交換系統(tǒng)中，可能包含光數(shù)據(jù)流、分組數(shù)據(jù)流之間的數(shù)據(jù)交換，大顆粒度到小顆粒度數(shù)據(jù)流之間的數(shù)據(jù)交換，甚至單一數(shù)據(jù)流到多種數(shù)據(jù)流之間的數(shù)據(jù)交換。不同顆粒度業(yè)務(wù)可能通過不同的光、分組內(nèi)部路徑組合的交換路徑進(jìn)行聚合或分發(fā)交換，選擇不同的內(nèi)部交換路徑對(duì)整體交換性能影響巨大，需要對(duì)其進(jìn)行擇優(yōu)選擇。若選擇不合理的交換路徑，可能造成交換網(wǎng)絡(luò)中部分路徑負(fù)載過于飽和，形成瓶頸鏈路，甚至導(dǎo)致路徑擁塞，而同時(shí)交換系統(tǒng)中的其他可用路徑處于空閑狀態(tài)，路徑資源沒有得到合理利用，使交換系統(tǒng)路徑負(fù)載不均衡、資源利用率不高。

文獻(xiàn)[12-13]基于經(jīng)典的路由和波長(zhǎng)分配(RWA)算法，提出根據(jù)各路徑上可用波長(zhǎng)數(shù)來(lái)計(jì)算路徑的權(quán)值函數(shù)。文獻(xiàn)[14]提出針對(duì)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的并行鏈路不相交多徑路由算法SPEMR，該算法具有相對(duì)更強(qiáng)的實(shí)時(shí)傳輸海量數(shù)據(jù)的能力，主要聚焦于路徑的承載能力和傳輸時(shí)延等性能。文獻(xiàn)[15-16]提出以網(wǎng)絡(luò)鏈路剩余波長(zhǎng)數(shù)量的方差為標(biāo)準(zhǔn)選擇路由，但該方法無(wú)法準(zhǔn)確衡量分組路徑資源。文獻(xiàn)[17]根據(jù)鏈路時(shí)延因素和鏈路負(fù)載因素進(jìn)行負(fù)載代價(jià)計(jì)算，但對(duì)于星上融合交換系統(tǒng)，其路徑跳數(shù)是確定的，鏈路時(shí)延因素并不是關(guān)鍵因素，而星上光、電鏈路負(fù)載本身差異巨大，無(wú)法單純通過負(fù)載進(jìn)行路徑計(jì)算。文獻(xiàn)[18]針對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，提出基于負(fù)載均衡思想的虛擬網(wǎng)劃分方法，可以有效提高資源利用率。文獻(xiàn)[19]在所提出的光電混合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，提出基于流量預(yù)測(cè)矩陣的負(fù)載均衡流量調(diào)度機(jī)制，但并沒有充分考慮光電異構(gòu)特性。

目前，針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提出了大量負(fù)載均衡機(jī)制[18]及星間路由算法[20-21]，但并沒有提出針對(duì)空間光電融合交換系統(tǒng)的負(fù)載均衡路徑計(jì)算方法。本文提出異構(gòu)光電交換路徑算法，根據(jù)異構(gòu)路徑帶寬的不同定義最小粒度路徑帶寬；根據(jù)異構(gòu)路徑與最小粒度路徑帶寬的關(guān)系來(lái)計(jì)算路徑可用負(fù)載，并針對(duì)異構(gòu)路徑分發(fā)和聚合所導(dǎo)致的路徑個(gè)數(shù)差異；提出路徑個(gè)數(shù)參數(shù)來(lái)衡量異構(gòu)路徑資源權(quán)值，而不是路徑跳數(shù)；通過選擇具有最大路徑資源權(quán)值的交換路徑，獲得滿足負(fù)載均衡準(zhǔn)則的最優(yōu)交換路徑。

1 空間光電融合交換結(jié)構(gòu)

空間信息網(wǎng)絡(luò)主要包括光、分組兩類異構(gòu)信息，通過單顆衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)或多顆緊耦合衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，完成光、分組等多粒度業(yè)務(wù)的聚合及分發(fā)交換功能。如圖1所示，空間光電融合交換系統(tǒng)的交換結(jié)構(gòu)[10]主要包括3個(gè)層級(jí)，即前級(jí)交換單元、中間級(jí)交換單元及后級(jí)交換單元，每個(gè)交換單元由不同光、分組交換矩陣模塊組合而成。交換系統(tǒng)中與外部輸出/輸入端口相連的光、分組端口稱為外部端口，內(nèi)部交換矩陣模塊之間的互聯(lián)端口稱為交換系統(tǒng)的內(nèi)部端口。光業(yè)務(wù)到分組交換矩陣模塊需要經(jīng)過分發(fā)模塊，將一路光業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為多路分組業(yè)務(wù)，而分組業(yè)務(wù)到光交換矩陣模塊需要經(jīng)過聚合模塊，將多路分組業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為一路光業(yè)務(wù)。

其中，分發(fā)和聚合模塊的作用是采用光電/電光轉(zhuǎn)換模塊對(duì)輸入業(yè)務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于光業(yè)務(wù)帶寬遠(yuǎn)大于電業(yè)務(wù)帶寬。因此分發(fā)和聚合模塊主要針對(duì)業(yè)務(wù)帶寬。若由光業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為電業(yè)務(wù)，即由高帶寬業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為多路低帶寬業(yè)務(wù)，可視為數(shù)據(jù)的分發(fā)；若由電業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為光業(yè)務(wù)，即由多路低帶寬業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為高帶寬業(yè)務(wù)，可視為數(shù)據(jù)的聚合。通過上述準(zhǔn)則來(lái)完成數(shù)據(jù)的分發(fā)和聚合功能。

2 異構(gòu)交換系統(tǒng)負(fù)載均衡路徑算法

2.1 異構(gòu)交換系統(tǒng)拓?fù)涿枋?/h3>

在空間光電融合交換系統(tǒng)中，由某外部輸入端口經(jīng)過交換系統(tǒng)中若干光、分組交換矩陣模塊，到外部輸出端口，所經(jīng)過的路徑組合稱為該交換系統(tǒng)中的交換路徑；系統(tǒng)中光、分組交換矩陣模塊的某輸入端口到該矩陣模塊輸出端口稱為交換系統(tǒng)中的子路徑；系統(tǒng)中光、分組交換矩陣模塊的某輸出端口經(jīng)過聚合/分發(fā)模塊到另一交換矩陣模塊的輸入端口稱為子路徑轉(zhuǎn)換。將該交換系統(tǒng)中的端口視為點(diǎn)，子路徑視為邊，其交換系統(tǒng)拓?fù)淇杀硎緸镹=(V,E,T,X,Y)，其中V為網(wǎng)絡(luò)中所有端口(點(diǎn))集合；E為網(wǎng)絡(luò)中所有子路徑(邊)集合；T是E上的資源(權(quán)值)函數(shù)；X為輸入端口(源點(diǎn))集合；Y為輸出端口(匯點(diǎn))集合。

在該交換系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)從外部輸入端口，經(jīng)過不同的光、分組交換子路徑組合，最終交換到外部輸出端口。其中業(yè)務(wù)經(jīng)過的路徑跳數(shù)(即交換次數(shù))相同，而由于光、分組承載的數(shù)據(jù)量不同，不同交換路徑(包含不同子路徑組合)對(duì)應(yīng)的子路徑個(gè)數(shù)可能不同。

為了便于算法描述，定義以下相關(guān)符號(hào)：

T(l,w)：該參數(shù)表示空間交換系統(tǒng)路徑資源狀態(tài)信息表，標(biāo)注當(dāng)前所有子路徑的可用路徑資源，其中l(wèi)代表交換系統(tǒng)中的子路徑，w表示該子路徑的可用路徑資源。

R(x,y)：該參數(shù)表示由外部輸入端口x到外部輸出端口y的交換信令請(qǐng)求。

P(x,y)：該參數(shù)表示由外部輸入端口x到外部輸出端口y的交換路徑集合。

L(x,y)：該參數(shù)表示由外部輸入端口x到外部輸出端口y的交換路徑所包含的子路徑個(gè)數(shù)。

H(x,y)：該參數(shù)表示由外部輸入端口x到外部輸出端口y的交換路徑所包含的路徑跳數(shù)，由交換結(jié)構(gòu)所確定，圖1所示空間異構(gòu)融合交換結(jié)構(gòu)中的路徑跳數(shù)H(x,y)=3。

C(x,y)：該參數(shù)表示由外部輸入端口x到外部輸出端口y的交換路徑所包含的路徑轉(zhuǎn)換次數(shù)。業(yè)務(wù)在異構(gòu)交換系統(tǒng)中，每經(jīng)過一次分發(fā)或聚合處理，其業(yè)務(wù)類型即發(fā)生變化(由光業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為分組業(yè)務(wù)或者由分組業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為光業(yè)務(wù))，該過程稱為業(yè)務(wù)經(jīng)過一次路徑轉(zhuǎn)換。

2.2 異構(gòu)路徑資源的統(tǒng)一衡量方法

在空間異構(gòu)融合交換系統(tǒng)中，光、分組異構(gòu)業(yè)務(wù)的交換資源差異巨大，光業(yè)務(wù)交換主要包括光波長(zhǎng)、光開關(guān)、光時(shí)隙等資源形式，分組業(yè)務(wù)交換主要包括報(bào)文可用路由表項(xiàng)/轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)、可用緩存容量、分組時(shí)隙等資源形式。光、分組交換資源的異構(gòu)特性從本質(zhì)上是由于光業(yè)務(wù)的物理特性導(dǎo)致其無(wú)法緩存，必須提前配置交換路徑；而分組業(yè)務(wù)可以通過緩存進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。由于光、分組業(yè)務(wù)都是承載在路徑中的，雖然無(wú)法對(duì)交換資源進(jìn)行直接衡量，但可以考慮間接通過路徑承載業(yè)務(wù)的能力來(lái)對(duì)異構(gòu)資源進(jìn)行定量衡量。因此本文提出構(gòu)建最小粒度路徑帶寬因子作為異構(gòu)路徑負(fù)載能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)，將交換子路徑與該因子的關(guān)聯(lián)倍數(shù)作為衡量該子路徑資源的有效權(quán)值，構(gòu)建異構(gòu)路徑影響因子υα。

該影響因子的計(jì)算方法如下：

首先根據(jù)系統(tǒng)中光路徑和分組路徑各自的最大路徑帶寬，計(jì)算兩類路徑帶寬值的最大公約數(shù)，定義為最小粒度路徑帶寬α。α表征空間異構(gòu)交換系統(tǒng)中光、分組交換帶寬的最小衡量單位。計(jì)算光、分組路徑所包含的最小粒度路徑帶寬α的個(gè)數(shù)，分別將光、分組路徑所包含的α個(gè)數(shù)與光路徑和分組路徑所包含α個(gè)數(shù)的總和相除，得到光、分組異構(gòu)路徑帶寬比值。

2.3 負(fù)載均衡路徑算法約束設(shè)計(jì)

在詳細(xì)介紹算法之前，首先明確以下幾條約束。

1)由于空間異構(gòu)交換系統(tǒng)包含的矩陣級(jí)數(shù)(前級(jí)、中級(jí)和后級(jí))是確定的，因而業(yè)務(wù)在不同交換路徑中所經(jīng)過的路徑跳數(shù)(即交換次數(shù))是相同的；

2)由于光、分組路徑承載業(yè)務(wù)的能力不同，導(dǎo)致不同交換路徑所包含的子路徑個(gè)數(shù)可能不同，在相同業(yè)務(wù)負(fù)載下子路徑越多，交換系統(tǒng)的控制及調(diào)度功能就越復(fù)雜，因此本方法在同等業(yè)務(wù)負(fù)載下傾向于采用較少的子路徑個(gè)數(shù)；

3)由于路徑轉(zhuǎn)換會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度，在進(jìn)行業(yè)務(wù)交換時(shí)，本論文以路徑轉(zhuǎn)換次數(shù)較小的交換路徑為優(yōu)選路徑。

在空間異構(gòu)交換系統(tǒng)中，與通常路徑算法不同的是，對(duì)于確定輸入/輸出端口的不同交換路徑而言，其路徑跳數(shù)是相同的，并不存在最短路徑，但由于其異構(gòu)特性，導(dǎo)致交換路徑中的子路徑個(gè)數(shù)和路徑轉(zhuǎn)換次數(shù)可能不同，因此將子路徑個(gè)數(shù)和路徑轉(zhuǎn)換次數(shù)作為路徑權(quán)值的衡量因子。

2.4 負(fù)載均衡路徑算法思想

當(dāng)空間異構(gòu)交換系統(tǒng)接收到包含外部輸入/輸出端口信息的信令消息時(shí)，需計(jì)算該業(yè)務(wù)的交換路徑，并預(yù)留相應(yīng)的光、分組異構(gòu)交換資源。為了避免空間異構(gòu)交換系統(tǒng)中不同子路徑上業(yè)務(wù)負(fù)載差異較大，從而形成瓶頸路徑，導(dǎo)致交換系統(tǒng)資源利用率降低，需要采取一定的均衡機(jī)制調(diào)節(jié)業(yè)務(wù)流量分布。本文通過異構(gòu)路徑影響因子將異構(gòu)特性對(duì)于路徑負(fù)載均衡的影響轉(zhuǎn)換為與異構(gòu)路徑可用帶寬資源相關(guān)的具體數(shù)值，利于進(jìn)行定量衡量；根據(jù)光、分組路徑承載業(yè)務(wù)的顆粒度差異，將交換路徑所包含的子路徑個(gè)數(shù)作為衡量路徑的關(guān)鍵參數(shù)之一，構(gòu)建空間異構(gòu)交換系統(tǒng)中異構(gòu)路徑權(quán)值函數(shù)，如下式所示：

式(1)用于計(jì)算由外部輸入端口x到外部輸出端口y的交換路徑權(quán)值Cp(x,y)。其中Lwl為任意子路徑的可用資源值；ωl為同構(gòu)子路徑影響因子；υαk為異構(gòu)路徑影響因子。路徑生成流程如圖2所示，具體算法步驟說(shuō)明如下：

圖2 衛(wèi)星異構(gòu)交換路徑生成流程

步驟1：首先初始化空間異構(gòu)交換系統(tǒng)，獲取各交換矩陣模塊中每條子路徑的資源使用情況，建立資源狀態(tài)信息表T(l,w)，當(dāng)申請(qǐng)新的交換路徑或釋放已存在的交換路徑時(shí)都要對(duì)其相關(guān)子路徑的資源狀態(tài)信息進(jìn)行更新。

步驟2：當(dāng)路徑信令請(qǐng)求R(x,y)到達(dá)時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)外部輸入端口x與輸出端口y，計(jì)算出交換系統(tǒng)中所有交換路徑的集合P(x,y)。

步驟3：計(jì)算集合P(x,y)中的每一條交換路徑的子路徑個(gè)數(shù)L(x,y)、路徑跳數(shù)H(x,y)以及路徑轉(zhuǎn)換次數(shù)C(x,y)。

步驟4：計(jì)算同構(gòu)路徑影響因子ω和異構(gòu)路徑影響因子υα，其中影響因子υα的計(jì)算方法見2.2節(jié)，影響因子ω的計(jì)算方法如下：

1)通過資源狀態(tài)信息表T(l,w)查詢每條子路徑的可用路徑資源Lw；

2)計(jì)算該交換路徑中的同構(gòu)路徑中每條子路徑的可用資源Lw占同構(gòu)子路徑可用資源總數(shù)的百分比，并將各資源比值按從小到大的順序排列；

步驟5：通過式(1)異構(gòu)路徑權(quán)值函數(shù)計(jì)算交換路徑集P(x,y)中每一條交換路徑的路徑權(quán)值Cp。

步驟6：將路徑權(quán)值Cp按照由大到小的順序排列，選取最大Cp值所對(duì)應(yīng)的交換路徑。

步驟7：若所選交換路徑中存在子路徑可用資源值Lwl小于業(yè)務(wù)申請(qǐng)資源最小值Lwmin，轉(zhuǎn)到步驟9，否則轉(zhuǎn)到步驟8。

步驟8：將所選交換路徑作為交換路徑，根據(jù)信令申請(qǐng)消息預(yù)留相應(yīng)光、分組交換資源，并更新T(l,w)中子路徑資源狀態(tài)信息。

步驟9：從交換路徑集P(x,y)中刪除所選路徑，繼續(xù)判斷P(x,y)是否為空，若不為空，轉(zhuǎn)至步驟7，若為空，則本次信令申請(qǐng)失敗。

3 仿真分析與性能評(píng)價(jià)

在圖1所示衛(wèi)星異構(gòu)交換模型基礎(chǔ)上進(jìn)行異構(gòu)路徑算法(LBHP)的仿真分析。通過對(duì)比采用傳統(tǒng)的路由與波長(zhǎng)分配(RWA)算法[12-13]，仿真了LBHP算法在隨機(jī)業(yè)務(wù)請(qǐng)求下的路徑負(fù)載平衡度、路徑阻塞概率性能，并對(duì)算法仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 仿真設(shè)置

為了驗(yàn)證所提算法性能，采用Matlab與OMNET仿真工具進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過OMNET搭建衛(wèi)星異構(gòu)交換模型如圖3所示。該模型包括2個(gè)光業(yè)務(wù)輸入模塊(Port0，Port1，每個(gè)模塊設(shè)置2個(gè)端口)，2個(gè)分組業(yè)務(wù)輸入模塊(Port2，Port3，每個(gè)模塊設(shè)置4個(gè)端口)；輸出模塊(Port4，Port5，Port6，Port7)負(fù)責(zé)接收相應(yīng)業(yè)務(wù)；交換矩陣包括前、中、后3級(jí)，其中前級(jí)包含2個(gè)2×2光交換矩陣(SwitchA、SwitchA1)和2個(gè)4×4分組交換矩陣(SwitchA2、SwitchA3)；中間級(jí)包含1個(gè)4×4光交換矩陣(Optical_switch)和一個(gè)16×16(Packet_switch)分組交換矩陣；后級(jí)與前級(jí)的架構(gòu)相同。

圖3 衛(wèi)星異構(gòu)交換仿真模型

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文所仿真的衛(wèi)星異構(gòu)交換系統(tǒng)總交換容量為15 Gbit/s，端口數(shù)為12×12，其中光端口為4×4，分組端口為8×8。光端口速率為2.5 Gbit/s，分組端口速率為625 Mbit/s，光、分組路徑帶寬比為4:1。采用增加業(yè)務(wù)模式進(jìn)行仿真，當(dāng)業(yè)務(wù)連接建立后，除非收到拆除信令，否則交換系統(tǒng)中的交換資源一直占用，不會(huì)被自動(dòng)釋放。

定義參數(shù)路徑負(fù)載平衡度(LBD)：

定義參數(shù)路徑阻塞概率(PCP)：

PCP=LB/|L|

(3)

式中：若當(dāng)前子路徑可用資源數(shù)w(l)

3.3 仿真分析

圖4、圖5展示了在隨機(jī)業(yè)務(wù)下，傳統(tǒng)RWA(路由與波長(zhǎng))算法與本文所提LBHP(異構(gòu)交換負(fù)載均衡路徑)算法的路徑負(fù)載平衡度(LBD)和路徑阻塞概率(PCP)指標(biāo)，分析算法性能及適用范圍。

圖4 不同業(yè)務(wù)請(qǐng)求下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡度

圖5 不同業(yè)務(wù)請(qǐng)求下的網(wǎng)絡(luò)路徑阻塞率

如圖4(a)所示，在0～120個(gè)隨機(jī)業(yè)務(wù)請(qǐng)求下，傳統(tǒng)RWA算法在進(jìn)行路徑選擇時(shí)，并沒有綜合考慮光、分組交換路徑的相互影響。將該算法進(jìn)行了10次仿真，每次計(jì)算得到的交換路徑及LBD值都不同，而LBHP算法得到的結(jié)果都相同，其算法穩(wěn)定度更優(yōu)。當(dāng)業(yè)務(wù)量為120個(gè)時(shí)，LBHP算法的LBD值接近0.06，小于傳統(tǒng)RWA算法得到的最低LBD值，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)算法。如圖4(b)所示，將傳統(tǒng)RWA算法經(jīng)過10次仿真得到的路徑負(fù)載平衡度值進(jìn)行平均，并與本文LBHP算法比較，可以看到LBHP算法可以有效降低負(fù)載平衡度，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載值達(dá)到120時(shí)，可將LBD值降低約32%，有效增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡能力，提高交換系統(tǒng)路徑利用率。

圖5(a)比較了LBHP算法和傳統(tǒng)RWA算法在0～240個(gè)隨機(jī)業(yè)務(wù)請(qǐng)求下的阻塞概率。可以看到，傳統(tǒng)負(fù)載均衡算法無(wú)法綜合權(quán)衡光電融合交換系統(tǒng)的整體路徑資源情況，在進(jìn)行的10次仿真下得到的結(jié)果都不同，且在隨機(jī)業(yè)務(wù)請(qǐng)求接近50時(shí)開始出現(xiàn)路徑阻塞；而LBHP算法不僅在不同次計(jì)算時(shí)的結(jié)果都保持一致，且在業(yè)務(wù)到達(dá)率接近200時(shí)才開始出現(xiàn)路徑擁塞。如圖5(b)所示，將傳統(tǒng)算法的10次仿真結(jié)果進(jìn)行平均，在相同業(yè)務(wù)到達(dá)率下，LBHP算法的路徑阻塞概率均等于或低于傳統(tǒng)算法，當(dāng)隨機(jī)業(yè)務(wù)請(qǐng)求達(dá)到240個(gè)時(shí)，LBHP算法的路徑阻塞率相對(duì)于傳統(tǒng)算法降低約51%。

綜上可以看到，在算法穩(wěn)定性及算法性能方面，本文所提LBHP算法均優(yōu)于傳統(tǒng)RWA算法。

4 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星光電融合交換系統(tǒng)是未來(lái)空間衛(wèi)星組網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于空間體系架構(gòu)特點(diǎn)以及對(duì)資源高效利用的需求，衛(wèi)星光電交換系統(tǒng)并不適合采用現(xiàn)有的光電獨(dú)立交換或僅部分模塊融合的方式，而應(yīng)尋求更進(jìn)一步的融合機(jī)制。

基于衛(wèi)星異構(gòu)融合交換結(jié)構(gòu)以及光電一體化信令方案，本文所提出的光電異構(gòu)資源負(fù)載均衡路徑算法，不僅可以保證交換路徑計(jì)算結(jié)果的一致性，也可獲得基于負(fù)載平衡度以及路徑阻塞率指標(biāo)的交換路徑的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，對(duì)于衛(wèi)星光電異構(gòu)交換系統(tǒng)的深度融合有著較大的研究及應(yīng)用意義，可極大提升衛(wèi)星光電交換系統(tǒng)整體性能。在未來(lái)工作中，需要進(jìn)一步加強(qiáng)本文所提算法的數(shù)學(xué)模型分析及構(gòu)建。