弹性光网络中支持虚级联的频谱分配算法

冯海燕，沈建华

（南京邮电大学 通信与信息工程学院，南京210003）

弹性光网络中支持虚级联的频谱分配算法

冯海燕，沈建华

（南京邮电大学 通信与信息工程学院，南京210003）

由于将虚拟级联技术引入弹性光网络可以提高网络资源利用率，同时也由于不同调制格式下光通道需要的频谱资源不同，文章针对C O-O FD M弹性光网络提出了一种支持子频带虚拟级联的自适应调制频谱分配算法。理论分析和仿真结果表明，该算法能够有效提高频谱资源利用率，降低网络的平均业务阻塞率。

弹性光网络；虚级联；自适应调制；频谱分配；业务阻塞率

0 引言

以交互式多媒体和云计算等高带宽服务为代表的互联网应用的快速增加，使得传统的波分复用（WDM）光网络难以适应快速变化的海量信息传输。弹性光网络（Elastic Optical Network,EON）具有频谱栅格粒度可变、支持光通道频谱部分重叠等优势，极大地提高了频谱资源的利用率[1]。EON中为更好地提高网络资源利用率，可以借鉴传统的SDH/MSTP网络中的虚级联（Virtual Concatenation,VCAT)技术，即子频带虚拟级联技术，实验证明该方案可以有效地上提高网络资源的利用率[2]。Yuan等人研究了VCAT技术在EON中对于静态选路和频谱分配的作用，发现随着网络节点度的增加，VCAT能够进一步增加频谱利用率[3]。G.X.Shen分别建立了弹性光网络中有无频谱转换器的两种ILP模型，并将VCAT技术运用到这两种模型中，实验结果发现运用VCAT的模型能够有效降低光路阻塞率，同时基于VCAT技术将一个业务请求的带宽均匀分配到多条路径上传输具有最佳性能[4]。Cai等人发现VCAT子频带的粒度越小，即一个子频带中的子载波数越少，对应传输的路径数增加，光路阻塞率越低[5]。

总地来看，已经提出的针对EON虚拟级联的文献大多假设每条光路上业务请求的频隙数相同且采用单一调制方式，这与实际情况中差异化的业务请求所需光路的不等频隙数间存在较大差异。另一方面，即使业务请求对应光路的速率固定，也可以根据业务的传输距离采用不同的调制方式，这种基于自适应调制的频谱分配机制可以有效地提高网络资源利用率（因为高阶的调制方式所需要的频隙数更少）。显然，将VCAT技术与基于自适应调制的灵活频谱分配机制进行结合，对于EON提高频谱效率和降低业务阻塞率具有非常重要的作用。本文正是基于上述技术背景，针对CO-OFDM EOC提出了一种支持子频带虚拟级联的自适应调制频谱分配算法。

1 算法工作原理

本文提出的改进算法基本思想是根据业务请求速率及对应的传输路径选择所需带宽最少的调制格式，运用VCAT技术将所需带宽对应的频隙数在不同路径上传输，达到频谱利用率的最大化以及光路阻塞率最小化的目标。本文提出的算法中，自适应调制的频谱分配机制中考虑了路径长度与最佳调制方式的对应关系，其中所使用的调制方式包括了EON中最常见的BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM和64QAM等，每种调制方式对应的最大传输距离是通过考虑了物理层因素 （如OSNR）之后得到的。BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM和64QAM对应的最大传输距离分别为9600、4800、2400、1200、600和300km[6]。

每个业务请求的连续可用频隙数的频隙可以根据以下公式计算得出：

式(1)中：Ci为第i个业务请求的速率；Fslot为一个频隙固定占用的频宽 （假设为12.5GHz）；bi取值范围为{32,16,8,4,2,1}，根据次最短径的距离选择bi的值；Si为第i个请求所需的总频隙数；D为次最短径的距离（km）。

基于子频带虚拟级联技术的自适应调制频谱分配算法的伪代码如下：

计算源节点到目的节点的最短路径和次最短路径，且该两条路径无重合链路；

计算该请求所需的光通道最大传输距离对应的最佳调制格式；

根据业务请求速率和最佳调制方式计算出所需频隙数；

if(采用VCAT技术及首次匹配算法将总频隙数均匀分配到两条传输路径中,有满足条件的频隙)

图1为一个应用基于VCAT的自适应调制频谱分配算法的示意图，其中节点1是源节点，节点6是目标节点。根据改进的D算法可以获得两条可用路径：最短路径为1→2→4→6；次最短路径为1→3→5→6。假设业务请求速率为300Gb/s，次最短径的长度为2000km，则bi=4，可选用的调制方式为8QAM，所需的频隙数为6，相比于相同请求速率下采用BPSK所需的24个频隙降低了3/4。然后，采用VCAT技术和首次匹配算法将6个频隙数均匀分配到两条传输路径，其中每条路径传输3个频隙。若两条路径上有满足连续3个频隙，则请求成功；否则，阻塞。

图1 自适应调制的频谱分配算法示例

2 仿真和结果分析

仿真中使用的网络拓扑为14个节点、21条链路的NSFNET。假设每根光纤中的总频谱宽度为4THz，取Fslot=12.5GHz作为一个频率隙的大小，因而共有320个频隙，其中保护频带占2个频隙[7]。仿真考察的性能是网络的平均业务阻塞率，定义为网络中被阻塞的业务速率之和占整个网络总的业务速率之和。仿真中网络业务请求随机产生，业务速率在50～300Gb/s间随机取值。图2为NSFNET网络平均阻塞率比较。

图2 NSFNET网络平均阻塞率比较

仿真结果表明，VCAT技术与自适应调制方式的结合使得整个网络的平均业务阻塞率最低。当业务负载为300Erl时，采用VCAT技术结合自适应调制方式的网络平均业务阻塞率的量级为10-3，而采用VCAT的单一调制方式的网络平均业务阻塞率的量级为1，前者的阻塞率要远远低于后者。

3 结束语

以上我们提出的基于子频带虚拟级联技术的自适应调制频谱分配算法考虑了通道调制格式与光通道最大传输距离的关系，在满足业务能够传输的基础上选择最佳的调制格式。同时，结合VCAT技术使得业务请求的带宽均匀分配到多条路径中传输，提高了频谱资源的利用率，从而进一步降低了网络的平均阻塞率。

[1]JINNO M,TAKARA H,KOZICKI B,et al.Spectrum-efficient and scalable elastic optical path network:architecture,benefits,and enabling technologies[J].Communications Magazine,IEEE,2009,47(11):66-73.

[2]KOZICKI B,TAKARA H,TSUKISHIMA Y,et al.Optical path aggregation for 1-Tb/s transmission in spectrum-sliced elastic optical path network[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2010,22(17):1315-1317.

[3]YUAN Xin,SHEN Gangxiang.How Much Can Sub-band Virtual Concatenation(VCAT)Help Static Routing and Spectrum Assignment in Elastic Optical Networks?(Invited)[C].Communication Systems(ICCS),2014, Macau China:IEEE,2014:273-277.

[4]SHEN Gangxiang,CAI Anliang,PENG Limei.Benefits of Sub-Band Virtual Concatenation(VCAT)in CO-OFDM Optical Networks[C]. Transparent Optical Networks(ICTON),2012,14th International Conference on IEEE.Coventry England:IEEE,2012.

[5]CAI Anliang,PENG Limei,SHEN Gangxiang.Sub-band Virtual Concatenation Lightpath Blocking Performance Evaluation for CO-OFDM Optical Networks[C].Communications and Photonics Conference(ACP), 2012 Asia.Guangzhou China:IEEE,2012.

[6]BOCOI A,SCHUSTER M,RAMBACH F,et al.Reach-dependent capacity in optical networks enabled by OFDM[C].Optical Fiber Communication 2009 Conference on IEEE,San Diego:IEEE,2009.

[7]LÓPEZ VIZCAÍNO J,YE Y,TAFUR MONROY I.Energy efficiency analysis for flexible-grid OFDM-based optical networks[J].Computer Networks,2012,56(10):2400-2419.

VCAT supported adaptive modulation and
spectrum allocation algorithm for elastic optical networks

FENG Hai-yan,SHEN Jian-hua
(School of Communications and Information Engineering,NJUPT,Nanjing 210003,China)

The introduction of traditional Virtual Concatenation(VCAT)technology into Elastic Optical Network(EON)has been proved significantly improving of network capacity utilization.A VCAT supported adaptive modulation and spectrum allocation algorithm for EON is proposed.Theoretical analysis and numerical simulation results show that the algorithm can effectively improve the spectrum resource utilization and reduce the average rate of the network traffic blocking.

elastic optical network,VCAT,adaptive modulation,spectrum allocation,network blocking probability

TN929.11

A

1002-5561（2016）02-0005-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.002

2015-11-11。

冯海燕（1990-），女，硕士研究生，主要从事弹性光网络频谱分配和流量疏导的研究。