基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统，为提高频谱灵活光网络的频谱资源利用率和降低网络发生故障风险而设计。对频谱灵活光网络进行初始化；产生一组业务请求，包括业务请求的源节点、目的节点、带宽需求、最大可容忍故障概率阈值；基于联合故障概率约束的多目标联合优化函数，满足多目标联合优化函数的业务请求的带宽流量守恒、频谱连续性、频谱隙唯一占用、工作路径与专用保护路径链路不相交、工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径、专用保护的联合故障概率满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件，获得频谱资源占用与联合故障概率最优化解，使网络资源优化与联合故障概率达到均衡。

Optimized routing and spectrum allocation method and system based on dedicated protection joint fault probability constraint

The invention relates to a special joint protection based on fault probability constrained optimization routing and spectrum allocation method and system, designed to improve the utilization rate and reduce the risk of failure network spectrum resources flexible optical network. The spectrum flexible optical network is initialized; generating a set of service requests, including the source node and the destination node, the maximum bandwidth requirement, service request can tolerate failure probability threshold; joint optimization function of multi-objective joint failure probability based on constraints, meet the joint failure probability multi-objective optimization function of the combined service request bandwidth conservation spectrum continuity, spectrum occupancy, only gap path and dedicated protection link disjoint path, path of the occupied spectrum is not greater than the special protection and special protection path to meet the constraints of maximum tolerable failure probability threshold, the optimal spectrum resource occupation and joint failure probability, the cyber source optimization and joint fault probability equilibrium.

【技术实现步骤摘要】
基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统
本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统。
技术介绍
为了更好地满足业务请求的带宽资源，传统波分复用(WDM)光网络并没有根据业务请求的带宽属性分配网络资源，极容易造成光网络的资源浪费。通过引入频谱灵活光网络，有利于业务请求分配网络的频谱资源，提高频谱灵活光网络的资源效率。然而，对于高等级的业务请求，需要提供高可靠的传输路径。可见，在频谱灵活光网络中，为了保证业务请求的服务质量，光网络生存性将成为一个关键问题，而采用专用保护是解决这一问题的有效手段。为了成功建立业务请求，需要在频谱灵活光网络上建立工作路径和链路不相交的专用保护路径，并在所选择的工作路径和专用保护路径上查找频谱资源，满足频谱连续性与频谱一致性约束条件，然后分配频谱资源。一方面，业务请求通常采用最短路径算法(Dijkstraalgorithm)计算工作路径，并在频谱灵活光网络中删除工作路径上的所有链路，然后计算一条链路不相交的专用保护路径；另一方面，在所选择的工作路径和链路不相交的专用保护路径上，查找业务请求的频谱资源，若找到满足业务请求的带宽需求大小，然后在所选择的工作路径和专用保护路径上分配相应的频谱资源。目前，在频谱灵活光网络中，考虑业务请求的生存性，主要采用以下两种方法进行路由与频谱资源分配。1)采用传统专用保护方法。对于每一个业务请求，通常采用最短路径算法计算一条工作路径，然后在频谱灵活光网络中删除工作路径上所有光纤链路，再次采用最短路径算法计算一条专用保护路径。如果工作路径和专用保护路径都建立成功，在这两条路径上，根据业务请求的带宽需求大小进行频谱资源查找，如果找到可用的频谱资源，则为业务请求预留频谱资源。在频谱资源查找过程中，频谱资源必须满足频谱连续性和频谱一致性的约束条件，以保证业务请求在所选择的工作路径和专用保护路径上传输。这种方法相对比较简单，但是并没有对业务请求进行频谱资源优化，无法有效提高频谱灵活光网络的资源效率。2)采用带宽压缩保护方法。在路由计算过程中，这种方法与采用传统专用保护方法一样，首先建立工作路径，然后建立链路不相交的专用保护路径。如果工作路径与专用保护路径都建立成功，需要在工作路径和专用保护路径上查找并预留满足业务请求的带宽需求的频谱资源。特别地，在工作路径上，根据业务带宽需求的大小进行频谱资源查找，同时满足频谱连续性和频谱一致性约束条件，所分配的频谱资源与业务请求的带宽需求大小相等；然而，在专用保护路径上，如果没有足够的频谱资源为业务请求预留网络资源，可以通过利用不同的线速率和调制格式的方式来承载业务请求的带宽需求。在这种情况下，尽最大可能地调节业务请求传输的线速率和调制格式，通过压缩带宽资源的方式查找满足业务请求的频谱资源，然后在专用保护路径上预留相应的频谱资源。这种方法的缺点在于在专用保护路径上采用最大可能地建立工作路径和分配相应的频谱资源，但是在专用保护路径上传输质量和资源效率难以达到优化。可见，虽然上述两种方面解决了业务请求的路由与频谱分配问题，但并没有对业务请求所建立的传输的工作路径和专用保护路径进行故障概率的评估，也没有使业务请求在路由与频谱资源分配过程中使频谱资源达到最优化的。鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统，降低了故障发生的概率，提高了系统的安全性，使业务请求达到频谱资源与联合故障概率最优化，使其更具有产业上的利用价值。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种采用专用保护的方式建立连接请求，并且工作路径与专用保护路径的联合故障概率必须满足业务请求的最大可容忍故障概率阈值要求，在保证频谱灵活光网络生存性、频谱资源占用最少、联合故障概率最低的前提下，使全网路由与频谱分配达到最优化，实现基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统。本专利技术基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，包括：在频谱灵活光网络中，产生一组业务请求；建立业务请求的工作路径和专用保护路径，所述的工作路径和专用保护路径的联合故障概率必须小于或等于业务请求的最大可容忍故障概率，其中，工作路径的故障事件和专用保护路径的故障事件分别是独立的事件，工作路径的故障概率和专用保护路径的故障概率相乘即为所述的联合故障概率；设置两个优化目标，并通过调节两个优化目标的权重分出主要优化目标和次要优化目标，两个优化目标分别为在工作路径和专用保护路径上的频谱占用数目最小化、在工作路径和专用保护路径上的联合故障概率最小化，根据设定的优化目标，确定多目标联合优化目标函数，基于多目标联合优化函数需要满足的约束条件，获得频谱资源占用与联合故障概率最优化解，完成基于故障概率约束的最优化路由与频谱分配，使网络资源优化与联合故障概率达到均衡；其中，所述多目标联合优化函数需要满足的约束条件包括：流量守恒约束条件、频谱隙唯一占用条件、频谱连续性约束条件、工作路径与专用保护链路不相交约束条件、工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径约束条件、工作路径和专用保护路径的联合故障概率满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件。进一步地，在产生业务请求前还包括对频谱灵活光网络进行初始化，具体包括：设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目。进一步地，业务请求的工作路径和专用保护路径的建立具体包括：工作路径w和专用保护路径b的故障事件是独立的事件，工作路径和专用保护路径发生的故障概率称为专用保护的联合故障概率，它们的故障概率是相乘的形式，工作路径w和专用保护路径b的联合故障概率表示为：F(w,b)＝F(w)×F(b)，(1)其中，F(w)、F(b)、F(w,b)分别表示工作路径w的故障概率、专用保护路径b的故障概率、工作路径和专用保护路径的联合故障概率；工作路径的故障概率用公式(2)表示：F(w)＝1-∏(k，l)∈w(1-pk，l)，(2)其中，节点对(k,l)∈w，k≠l，表示在工作路径w的光纤链路(k,l)，pk，l表示光纤链路(k,l)的故障概率；同样，专用保护路径上的故障概率用公式(3)表示：F(b)＝1-Π(m，n)∈b(1-pm，n)，(3)其中，节点对(m,n)∈b，m≠n表示在专用保护路径b的光纤链路(m,n)，pm，n表示光纤链路(m,n)的故障概率；把公式(2)和(3)代入公式(1)中，得到工作路径与专用保护路径的，用公式(4)表示：F(w，b)＝[1-Π(k，l)∈w(1-pk，l)]×[1-Π(m，n)∈b(1-pm，n)]，(4)进一步对公式(4)展开，得到公式(5)：F(w，b)＝Σ(k，l)∈wΣ(m，n)∈bpk，l×pm，n+O(h)，(5)其中，O(h)表示高次项，它包括3阶项和3阶以上的高阶项的故障概率；若考虑链路故障概率在(0，10-3)的范围内，这里3阶项的联合故障概率大约等于10-9；对于工作路径与专用保护路径的联合故障概率，忽略3次项以上的故障概率，即忽略高阶项O(h)；因此，在低链路故障概率下，采用近似方法，得到工作路径和专本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，其特征在于，包括：在频谱灵活光网络中，产生一组业务请求；建立业务请求的工作路径和专用保护路径，所述的工作路径和专用保护路径的联合故障概率必须小于或等于业务请求的最大可容忍故障概率，其中，工作路径的故障事件和专用保护路径的故障事件分别是独立的事件，工作路径的故障概率和专用保护路径的故障概率相乘即为所述的联合故障概率；设置两个优化目标，并通过调节两个优化目标的权重分出主要优化目标和次要优化目标，两个优化目标分别为在工作路径和专用保护路径上的频谱占用数目最小化、在工作路径和专用保护路径上的联合故障概率最小化，根据设定的优化目标，确定多目标联合优化函数，基于多目标联合优化函数需要满足的约束条件，获得频谱资源占用与联合故障概率最优化解，完成基于故障概率约束的最优化路由与频谱分配，使网络资源优化与联合故障概率达到均衡；其中，所述多目标联合优化函数需要满足的约束条件包括：流量守恒约束条件、频谱隙唯一占用条件、频谱连续性约束条件、工作路径与专用保护链路不相交约束条件、工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径约束条件、专用保护的联合故障概率满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件。...

【技术特征摘要】
1.一种基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，其特征在于，包括：在频谱灵活光网络中，产生一组业务请求；建立业务请求的工作路径和专用保护路径，所述的工作路径和专用保护路径的联合故障概率必须小于或等于业务请求的最大可容忍故障概率，其中，工作路径的故障事件和专用保护路径的故障事件分别是独立的事件，工作路径的故障概率和专用保护路径的故障概率相乘即为所述的联合故障概率；设置两个优化目标，并通过调节两个优化目标的权重分出主要优化目标和次要优化目标，两个优化目标分别为在工作路径和专用保护路径上的频谱占用数目最小化、在工作路径和专用保护路径上的联合故障概率最小化，根据设定的优化目标，确定多目标联合优化函数，基于多目标联合优化函数需要满足的约束条件，获得频谱资源占用与联合故障概率最优化解，完成基于故障概率约束的最优化路由与频谱分配，使网络资源优化与联合故障概率达到均衡；其中，所述多目标联合优化函数需要满足的约束条件包括：流量守恒约束条件、频谱隙唯一占用条件、频谱连续性约束条件、工作路径与专用保护链路不相交约束条件、工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径约束条件、专用保护的联合故障概率满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件。2.根据权利要求1所述的基于故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，其特征在于，在产生业务请求前还包括对频谱灵活光网络进行初始化，具体包括：设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目。3.根据权利要求1所述的基于故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，其特征在于，业务请求的工作路径和专用保护路径的建立具体包括：工作路径w和专用保护路径b的故障事件是独立的事件，它们的故障概率是相乘的形式，工作路径和专用保护路径发生的故障概率称为专用保护的联合故障概率，工作路径w和专用保护路径b的联合故障概率表示为：F(w,b)＝F(w)×F(b),(1)其中，F(w)、F(b)、F(w,b)分别表示工作路径w的故障概率、专用保护路径b的故障概率、工作路径与专用保护路径的联合故障概率；工作路径的故障概率用公式(2)表示：F(w)＝1-Π(k，l)∈w(1-pk，l)，(2)其中，节点对(k,l)∈w，k≠l，表示在工作路径w的光纤链路(k,l)，pk，l表示光纤链路(k,l)的故障概率；同样，专用保护路径上的故障概率用公式(3)表示：F(b)＝1-Π(m，n)∈b(1-pm，n)，(3)其中，节点对(m,n)∈b，m≠n表示在专用保护路径b的光纤链路(m,n)，pm，n表示光纤链路(m,n)的故障概率；把公式(2)和(3)代入公式(1)中，得到工作路径与专用保护路径的联合故障概率，用公式(4)表示：F(w，b)＝[1-Π(k，l)∈w(1-pk，l)]×[1-Π(m，n)∈b(1-pm，n)]；(4)进一步对公式(4)展开，得到公式(5)：F(w，b)＝Σ(k，l)∈wΣ(m，n)∈bpk，l×pm，n+O(h)，(5)其中，O(h)表示高次项，它包括3阶项和3阶以上的高阶项的故障概率；若考虑链路故障概率在(0，10-3)的范围内，这里3阶项的联合故障概率大约等于10-9；对于工作路径与专用保护路径的联合故障概率，忽略3次项以上的故障概率，即忽略高阶项O(h)；因此，在低链路故障概率下，采用近似方法，得到工作路径和专用保护路径的联合故障概率，它用公式(6)表示：F(w，b)＝∑(k，l)∈w∑(m，n)bpk，l×pm，n；(6)对于每一个业务请求，如果这个业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率都小于或等于它的最大可容忍故障概率阈值MP，那么这两条路径能够建立成功，否则建立失败；所以一个业务请求的故障概率约束条件用公式(7)表示：F(w，b)≤MP；(7)把公式(6)代入公式(7)，得到一个业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率约束条件，即必须满足业务的最大可容忍故障概率阈值，这个约束条件用公式(8)表示：∑(k，l)∈w∑(m，n)∈bpk，l×pm，n≤MP；(8)。4.根据权利要求1所述的基于故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，其特征在于，所述的多目标联合优化函数具体为：用以下式子(9)表示：其中，TD表示一组业务请求；每一个业务请求用TD(s,d,FSs,d,MPs,d)表示，这里s和d分别表示业务请求的源节点和目的节点，FSs,d代表业务请求的带宽需求，MPs,d表示业务请求的最大可容忍故障概率阈值；在这个优化函数中，用(s,d)表示业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)；E表示频谱灵活光网络所有光纤链路；F表示每一条光纤链路的所有频谱隙；参数α∈(0，1)表示调节主要优化目标和次要优化目标的权重；和表示二进制变量，Minimize表示最小化频谱隙占用和最小化工作路径和保护路径的联合故障概率的操作；一方面，在工作路径上，当从源节点s到目的节点d之间的业务请求在光纤链路(k,l)上占用编号为f的频谱隙时，否则另一方面，在专用保护路径上，当从源节点s到目的节点d之间的业务请求在光纤链路(k,l)上占用编号为f的频谱隙时，否则pk，l表示在工作路径上光纤链路(k,l)的故障概率；pm，n表示在专用保护路径上光纤链路(m,n)的故障概率；表示二进制变量，当工作路径上的光纤链路(k,l)和专用保护路径上的光纤链路(m,n)被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用时，否则所述多目标联合优化函数需要满足的约束条件具体包括：1)业务请求的带宽流量守恒约束条件：在工作路径和专用保护路径上，对于每一个从源节点s到目的节点d之间的业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，源节点流出的流量等于业务请求的带宽需求FSs,d，用式子(10)表示；由于业务请求在路径中间节点的带宽流量具备流入与流出属性，并且流入的流量等于流出的流量，用式子(11)表示；在目的节点中，由于业务请求只有带宽流量流入，所以目的节点的流量等于业务请求的带宽需求FSs,d，用式子(12)表示；在工作路径上的流量守恒约束条件分别用式子(10)到(12)表示：其中，Zl＝V，它表示频谱灵活光网络所有的交换节点，并且满足Zl≠s和Zl≠d，它表示业务请求的带宽流量流过某条路径的中间节点；同样，在专用保护路径上，每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)的带宽流量守恒约束条件可以用式子(13)到(15)表示：2)频谱连续性约束条件：在工作路径和专用保护路径上，每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)选择的频谱隙必须满足频谱连续性约束条件；在工作路径上，当和时，编号大于或等于f+2的频谱隙没有被任何其它业务请求占用，即用(16)式表示；当编号小于f的频谱隙已被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)占用，用(17)式表示；同样，在专用保护路径上，二进制变量与工作路径的二进制变量特点一样；当和时，编号大于或等于f+2的频谱隙没有被任何业务请求占用，即用(18)式表示；当编号小于f的频谱隙已经被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)占用，用(19)式表示；其中，Θ表示一个大于|F|×(|V|...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伯文，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32