多芯光纤中串扰感知的路由频谱分配算法

熊琪乐，刘焕淋，刘欣悦

(重庆邮电大学 a.通信与信息工程学院; b.先进制造工程学院，重庆 400065)

0 引 言

随着5G移动网络、物联网和云计算等新兴技术的快速发展，多样化和多元化的网络业务使得以IP业务为代表的业务量呈现出指数级增长[1]。基于正交频分复用技术的弹性光网络(Elastic Optical Networks, EONs)和空分复用(Space Division Multiplexing, SDM)技术的应用能更好地适应多样化的业务及传输容量需求[2-3]。本文主要研究多芯光纤(Multi-Core Fiber, MCF)承载的动态业务下的路由频谱纤芯分配(Routing, Spectrum and Core Allocation, RSCA)问题。

文献[4]提出的纤芯优先级排序算法能在一定程度上避免芯间串扰(Inter Core Crosstalk, ICXT)问题；文献[5]提出了“四色原则”，进一步对MCF进行了分组操作；文献[6]设计了一种可重构的光分叉复用器，降低了SDM技术下可重构分插复用器的结构复杂度并减少了消耗的器件数目；文献[7]分析了基于路径型和链路型纤芯交换的区别；文献[8]系统地介绍了ICXT的几种类型，能够避免过保护现象。

基于以上分析，针对SDM-EONs下的资源分配问题，本文提出了动态路由和串扰感知算法，该算法不仅能够根据动态业务自适应调整路由策略，同时还减少了ICXT的影响，降低了系统阻塞率并提高了吞吐量。

1 问题描述

1.1 ICXT问题

由于MCF的物理结构特点，同一光纤内的纤芯间没有物理包层隔绝，在传输光信号时会因为光功率泄漏而导致ICXT问题，而且串扰问题会随着业务量以及传输距离的增加而变得更加严重，限制了SDM技术所带来的容量优势，影响了网络传输性能[9-11]。图1所示为ICXT示意图。

图1 ICXT示意图

目前，MCF中ICXT普遍被定义为

式中：h为ICXT增量；x、r、β和q分别为耦合系数、弯曲半径、传播常数和芯间距；XTav为ICXT平均值；n为相邻纤芯数；L为光纤传输距离。

1.2 RSCA问题

区别于传统波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)网络， EONs具有更加灵活的频谱分配方式，能够以更细粒度的频隙(如12.5 GHz)代替WDM网络的子载波(如100 GHz)，使得载波能够更好地适应不同类型的业务需求，但与此同时，其资源分配算法也将从传统的路由波长分配(Routing Wavelength Allocation, RWA)问题变为更加复杂的路由频谱分配(Routing Spectrum Allocation, RSA)问题，其复杂度已被证明为非确定性多项式完备问题。而随着SDM(MCF)技术的引入，虽然其带来了单模单芯光纤成倍的传输容量优势，但空间维度的引入进一步增加了原RSA问题求解的复杂度，将原RSA问题转变为了RSCA问题。因此，设计一个合理有效的启发式算法不仅能够降低算法的时间复杂度，同时还能够高效可靠地利用现有的物理资源降低业务传输的失败概率，提高资源利用率。

2 RSCA算法

2.1 动态路由子算法

在资源分配的初始阶段，首先应该为到来的业务选择传输路径。而传统的最短路径算法是根据业务请求的源目的节点静态地计算出最短跳数或最短物理距离的候选路径，无法根据全网的负载和能耗情况做出动态调整。

本算法首先设计了一个候选路径优先级排序公式，不仅考虑了物理跳数，同时还将动态系统路径和链路负载情况考虑了进去：

路径k频谱利用率计算公式为

2.2 串扰感知算法

串扰感知算法的具体步骤如下：

步骤1:输入：业务请求(s,d,r)，s、d、和r分别为源节点、目的节点和请求速率，纤芯优先级分组集合Gi，对应频谱分区集合Si。选定候选路径p。

步骤2:对于每条属于p的链路li其中的每一个候选纤芯c,遍历其频谱资源，寻找能够满足请求速率为r的业务的空闲频谱块数目。若可用资源非空，则进入步骤3，否则循环此步骤至遍历完所有纤芯。

步骤3:对每个空闲频谱FSi，从其起始频隙fs开始，计算新加入的串扰值XTa，以及活跃的相邻纤芯对本频隙的串扰值XTb。分别判断XTa和XTb与串扰门限值的关系，若均未超过门限，则跳出步骤3并返回True，否则重复本步骤检查下一个空闲频谱块FSi+1,直至检查完所有可用空闲频谱块。

步骤4:若该候选路径p中所有的纤芯都不能满足该请求速率为r的业务，则返回False。

3 仿真与分析

为了验证本文算法的性能，本文将以中国拓扑为仿真对象。本文主要针对7芯光纤进行仿真，在ICXT改善环节会对具有高串扰的19芯进行仿真。仿真业务数目为十万个，业务到达服从参数为λ的泊松分布，持续时间服从参数为μ的负指数分布，算法中对业务进行归一化处理。

本文首先以经典K条最短路径首次匹配(K-Shortest Path First Fit,KSP-FF)算法为基准算法，对比算法分别为按需结构(Architecture of Demand, AoD)算法[12]和纤芯分组(Core Grouping, CG)算法[13]。

图2所示为网络拓扑下带宽阻塞率性能，本文算法为蓝色实线。由图可知，基准算法KSP-FF带宽阻塞率最高，AoD与CG算法其次，而本文提出的算法在阻塞率性能上表现优异。在相同业务负载下其带宽阻塞率明显比其他对比算法要低。这是由于本文不仅考虑了动态路由机制，还把ICXT 的影响作为重要的度量，设计了串扰感知算法，进一步降低了带宽阻塞率。

图2 带宽阻塞率性能

图3和4所示分别为7芯和19芯MCF在美国电信网络(USNET)中针对不同算法与基准KSP-FF相比较的ICXT改善效果。由于公式以KSP-FF算法为基准，在业务负载较低时，MCF中资源充裕，不会出现资源不够用的情况，所以在起始负载为0.1时，本文算法和CG算法相比于基准KSP-FF算法均只有20%左右的提升，随着业务量的增长，性能差距逐渐明显，这是因为被动的串扰避免方案只能在网络初始化阶段对纤芯和频隙进行分组操作，当业务负载较大时，所有无串扰分组都满载，算法性能将会严重受限。

图3 7芯MCF中串扰改善率

图4 19芯MCF中串扰改善率

4 结束语

本文针对SDM-EONs中动态资源分配问题，提出了一种基于动态路由与串扰感知的资源分配算法。首先设计了一种候选路径排序公式来综合性地对候选路径集进行排序，不仅考虑了物理跳数，还将链路利用率和剩余频谱资源作为重要度量参数。同时，设计了串扰感知算法判断IXCT情况，尽可能地降低串扰对系统阻塞率和吞吐量性能的影响。仿真结果表明，本算法在串扰解决和降低阻塞率等方面成效明显。