矿用信息传输波分复用光网络大容量路由与波长分配研究

张凤杰 代碧波 杨晓明

（1.辽宁轨道交通职业学院，辽宁沈阳110023；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819）

地下矿山智能开采是未来矿山发展的重要方向，各生产环节采集信息的有效、流畅、高速、高质量传输是确保地下矿山智能采矿的关键环节。由于地下矿山环境特殊、开拓采准工程复杂，普通的公共通讯系统无法满足地下矿山高质量通讯要求。特别是随着矿山信息化的发展，越来越多的智能采矿机械设备、六大监测系统的数据信息需要高质量、快速地传输至中央控制室，导致大量的数据流量涌入了网络中，特别是 5G［1-3］、井下物联网［4-6］等新兴通讯技术的兴起，更是给矿山带来了多样化的信息服务，把矿山生产推向了大数据时代［7-9］。矿山大数据的诞生进一步促进了矿山通讯网络的发展，同时也对地下矿山数据传输提出了更高的要求，因此如何能够以低成本、低延迟和高速率的方式为地下矿山采集数据的交换、传输提供网络支持十分关键。波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）［10-11］技术已经被广泛地应用在现有的光网络中。WDM光网络中的频谱被划分为固定粒度的波长，通过选择合适的光路径以及分配恰当的波长来提供大容量的业务传输。与此同时，使用OpenFlow协议的软件定义网络（Software-defined Networking，SDN）［12-13］，使用集中控制器来控制网络。SDN通过将控制平面与底层数据转发平面分离来打破来自矿山不同监测点信息传递垂直方向的僵化问题，促进了对网络流量的灵活集中和细粒度分支点控制，并为井下智能设备的接口信息传递提供可编程性、自动化以及网络的控制能力。因此，SDN与WDM光网络的结合［14］能够提供可定制化、高效的井下矿山信息通讯网络应用服务。

虽然波分复用WDM网络中的波长粒度是单一的，但是它也带来了一定的优势：不会产生类似于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）［15-16］光网络中的频谱碎片。然而，WDM同样面临着如何构建大容量的虚拟网络的问题。实现这一目标的前提是能够实时获得WDM网络中的波长使用情况，因此，地下矿山光网络建设通过使用集中控制而不是分布式方式，这需要研究大容量的路由与波长分配（Routing and Wavelength Assignment，RWA）算法，实现地下矿山采集数据信息的低成本、低延迟和高速率传输。

1 网络模型

在SDN网络中，网络设备仅负责数据转发，控制策略在逻辑集中的控制器中实现。OpenFlow通常被定义为开放标准协议，在SDN中能够在控制平面和数据平面之间提供通信接口。受益于集中控制机制和数据平面白盒化趋势，OpenFlow可以对整个网络进行编程，实现地下矿山不同分支网络光交换节点的虚拟化，例如，将带宽可变光交叉连接（Bandwidthvariable Optical Cross-connect，BV-OXC）和边缘路由器（Edge Router，ER）抽象为通用功能集，并根据数据流来解释这些功能，即可以基于流表来识别、表征和操纵数据。

软件定义的WDM光网络可以被描述成一个无向图G(V,E)，其中V代表BV-OXC的集合，E为连接BV-OXC双向光纤链路的集合。其中，每一条光纤链路最多能够容纳B的带宽，以GHz为单位，并且光谱被分成W个波长。例如，波分复用WDM网络中一个波长信道的固定粒度为Bλ=50 GHz，那么可以通过得到W。为了支持高动态流量，BV-OXC支持光—电—光（Optical-to-electrical-to-optical，O/E/O）转换，即将光域信号转换到电域来进行操作，操作之后再转换成光域信号来传输。因此，可以在光路中的两个不同链路之间的中间节点处执行O/E/O转换，进行波长转换。业务请求由3元组模型r(s,d,b),∀r∈R表示，其中s为源节点，d为目的节点，而b表示WDM业务请求的容量需求。在WDM光网络中，所有业务请求具有相同的带宽需求，即一个波长的带宽需求，b=OC_1。此外，一些变量定义如下：λ代表一个光纤链路中波长的索引号，其中∀λ∈[1,W]。：一个二进制变量，如果服务请求r被映射在了底层光路径p上，其值等于1；否则，取值为0。：一个二进制变量，如果服务请求r消耗了底层光纤链路e上的波长λ，其等于1；否则，取值为0。：一个二进制变量，如果服务请求r订阅了WDM网络中的光纤链路e，其值等于1；否则，取值为0。

2 优化目标

首先对于地下矿山光网络通讯系统，需要定义光纤链路的容量为c(u,v)，并且f(u,v)是从节点u到节点v通过光纤链路的总流量之和。因此，链路的剩余容量为cf(u,v)=c(u,v)-f(u,v)。给定一个网络G*(V*,E*)和一个流f，则由f所诱导的图G*的残存网络为，其中，应只包含剩余容量大于0的边：。

对于WDM光网络，由于引入了O/E/O转换，因此可以忽略波长一致性的约束。所以，优化目标是最小化阻塞率，如式（1）所示。目标函数中的第一项是最小化所用波长的索引号，第二项则尽可能减少了O/E/O转换的总次数。除满足式（2）至式（4）约束外，还应满足式（5）至式（10）的流守恒相关约束。

路径选择唯一性约束：

一个业务请求只能选择一条光路来进行数据的传输，因此式（2）约束了一个业务请求r只能选择一条光路p。

波长唯一性约束为

式（3）反映出光纤链路e中一次只能有一个波长λ可以用于服务业务请求r。

波长总容量约束为

式（4）表示光纤链路上的最大业务需求数量受波长总数的限制。

链路容量约束为

式（5）确保通过光纤链路的总流量小于或等于链路容量。

中间节点流量守恒约束为

式（6）确保了每个中间节点上的输入和输出流的数量相等。

源节点的输入流量约束为

该式确保源节点的输入流的数量等于0。

目的节点的输出流量约束为

该式确保了目的节点的输出流的数量等于0。

收发两端的流量相等约束为

该式可确保来自源节点的输出流的数量等于到目的节点的输入流的数量。

3 数值仿真结果与分析

针对某地下矿山部署广泛的波分复用WDM光网络，数值仿真对比分析了3种大容量的路由与波长分配RWA算法，分别是最大容量优先算法（Maximize Capacity First，MCF）、最短距离优先（Shortest Distance First，SDF）算法和最大容量/跳数优先（Maximize Capacity-over-hops First，MCHF）算法。拓扑采用NSFNET网络拓扑，每条光纤链路中设置40个波长，每个波长占用50 GHz的频谱宽度。所有固定粒度业务请求的源节点与目的节点被随机产生，并且具有相同的带宽需求，即一个波长。此外，网络支持二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK），正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK），8进制正交幅度调制（8-ary Quadrature Amplitude Modulation，8-QAM）和16-QAM 4种调制格式。高等级的调制格式具有短的传输距离，而长距离的传输可以选择低等级的调制格式，例如：BPSK的传输距离可以达到3 000 km以上，而16-QAM最大的传输距离不超过700 km。虽然，高等级的调制格式传输距离短，但是它具有较高的频谱效率。

图1统计了网络阻塞率随业务请求数的变化情况。随着地下矿山分支网络业务请求数的增加，网络的阻塞率也随之增加，并且MCHF算法较MCF和SDF算法有最低的阻塞率。当分支网络业务请求数为600时，MCHF算法的阻塞率为0，而MCF和SDF算法的阻塞率分别为0.036 6和0.046 6。因此，可以明显看出，与MCF和SDF算法比较，MCHF算法具有很强的业务承载能力。

3种算法的平均传输距离如图2所示。由图2可知：平均传输距离随着业务请求数的增加而减小。平均传输距离逐渐减小的原因是随着分支网络业务请求数的线性增大，阻塞率逐渐增大，造成总传输距离增长缓慢，进而使总传输距离与总业务数的比值逐渐减小。由于SDF算法总是选择最短距离的路径，在3种算法中，SDF算法具有最小的平均传输距离。

图3和图4分别记录了3种算法的平均频谱效率和平均O/E/O转换次数。在3种算法中，MCHF算法拥有最高的平均频谱效率，本研究将频谱效率定义为波长容量除以波长带宽，单位为bps/Hz。采用BPSK调制格式的波长容量是100 Gbps，而一个波长的带宽是50 GHz，因此，采用BPSK调制格式的波长频谱效率为2 bps/Hz。从而可以推导出采用QPSK、8-QAM和16-QAM调制格式的频谱效率分别是4、6和8 bps/Hz。由图4可以看出，MCHF算法具有最低的O/E/O转换次数，不同链路使用不同的波长传输同一个网络业务需要在中间节点发生一次O/E/O波长转换。综合分析可知，虽然最短距离路径可以使用较高等级的调制格式，带来高利用率的频谱效率，但当地下矿山光网络采集数据信息量较大时，容易出现拥塞现象，造成网络负载分布不均衡。MCHF算法可以在保证更大网络容纳量的同时，实现理想均衡的传输距离，从而带来更大的平均频谱效率和更小的O/E/O转换次数。

4 结 语

为实现地下矿山复杂通讯光网络大数据信息稳定、高效传输，基于软件定义波分复用WDM光网络架构设计了MCHF大容量路由与波长分配算法，相较于SDF和MCF算法，MCHF算法具有较低的阻塞率。因此，采用地下矿山中央主控网络传输，既能满足地下矿山采集的大数据信息承载能力和网络频谱资源的利用效率，同时保证所采集的大数据信息低成本、低延迟和高速率传输，同时证实了所设计的大容量路由与波长分配算法的可行性与有效性。此外，MCHF算法拥有较高的平均频谱效率和较低的平均O/E/O转换次数，在提高网络频谱资源利用率的同时能够减少端到端的传输时延。