WDM网络中基于分层图模型的ICBR路由算法

宋 璨， 侯韶华

（南京邮电大学 光电工程学院，江苏 南京 210046）

0 引言

在波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）光网络中，当光信号在通路中传输时，会受到来自物理层的各种传输损伤的影响，导致信号质量下降，当损伤积累到一定程度，会导致业务无法有效传输，因此考虑物理损伤的路由算法具有重要的研究意义。

传统的损伤评估，往往采用对单一损伤进行评估，此算法将多种物理损伤，均量化为统一的链路权值Ci，以反映每条光路的信号质量劣化的程度，最终选出光信号质量足够好的路径，有效的规避了多种物理损伤的影响。

目前一些相关文献提出的考虑物理损伤的路由算法[1-3]，仅基于Q因子或误码率作为光信号质量评估的唯一参数，使ICBR算法仅在一定程度上克服信号损伤的影响。在新研究的损伤感知路由波长分配算法中，从Q因子和OSNR两方面来评估光信号质量，最终选定最佳性能路径，保障了为每个连接请求提供满足服务质量要求的最佳光路。

考虑到波长连续性的限制，传统 ICBR算法采用简单的先路由再波长分配的算法，其阻塞率是很高的。此算法引入分层图模型，在每个波长的拓扑层寻找路径，只要有路径存在就不会阻塞[4]，大大改善了网络的阻塞性能，且资源利用率较高。

1 物理损伤评估

1.1 物理损伤因素

光信号在通路中传播会受到物理层各种因素的影响，包括线性和非线性物理损伤，如：放大自发辐射噪声(ASE，Amplified Spontaneous Emission)、四波混频效应(FWM，Four Wave Mixing)、自相位调制(SPM，Self-Phase Modulation)/群速度色散(GVD，Group Velocity Dispersion)的共同作用以及交叉相位调制(XPM，Cross-Phase Modulation)，文中通过参数分别度量这些物理损伤对链路i所造成的影响。

1) 第i条链路上ASE噪声引起的信号质量劣化的方差：

式中，R是接收机响应度，Pavg是接收机平均光功率，PASE是掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier）的 ASE功率，Bo、Be分别是接收机的光带宽、电带宽。

2) 由SPM / GVD效应导致的眼图闭合代价：

式中，Vu,1、Vu,o分别代表未受物理损伤时“1”、“0”电平的平均电压，Vd,1、Vd,0分别为受物理损伤影响后“1”、“0”电平的平均电压。

3) 交叉相位调制引起的信号质量劣化的方差：

4) 四波混频引起的信号质量劣化的方差：

式中，R为接收机响应度，tP为发送端光功率，Pabc为频率fabc=fa+fb+fc的光功率，第1种情况，代表所有（fa≠fb≠fc≠fm）情况时FWM功率和，第2种情况代表fa≠fb≠fc，但fc=fm时FWM功率和，第 3种情况代表fa=fb≠fc≠fm时，FWM功率和。

1.2 链路i的物理损伤权值

将多种物理损伤量化为统一的链路权值Ci，以反映光路 i的信号质量劣化程度，最终选出一条链路权值和最小，即光信号质量足够好的路径，有效规避了多种物理损伤的影响。链路权值Ci计算公式为：

2 网络性能评估

通过对选定的路由进行光信号质量评估，选出一条具有较高服务质量的路由，从而提高网络的整体性能。文中采用的评估因子有OSNR和Q因子。OSNR是衡量光路性能的重要指标，Q因子通过将物理损伤因素考虑在内，进一步准确的反映了光信号的物理性能。

2.1 OSNR值

OSNR是一个十分重要的参数，能够比较准确的反映光信号质量。第i条链路上的OSNR公式为：

式中，Pin1，Pin2，…，PinN是放大器或链路上的其他光网络单元的输入端光功率（dBm），NF1，NF2，…，NFN是放大器或其他光网络单元的噪音系数（dB），h是普朗克常量，ν是波长频率，vr是参考带宽。

由N条链路组成的路由P的OSNR[5]可通过下式计算：

2.2 Q因子

所谓Q因子就是在最佳判决点信号和噪声的比值，其最终决定了物理层系统误码率（BER）。综合考虑各种物理损伤，某条选定路由P的光信号质量，可通过Qp来评估[4]：

式中，tP是发送光功率，分别是路由P上N条链路的值的和。

路由P上光信号的误码率为：

3 分层图模型

传统的ICBR算法，都是先采用Dijkstra算法求出最短路径，再为这条路径分配波长。然而，考虑到实际网络中波长连续性的限制，这种算法的阻塞率是很高的。此算法通过和分层图模型相结合，一个波长分成一个拓扑层，再在每个波长拓扑层上，采用 Dijkstra算法查找各链路的物理损伤权值和最小的路由。由于是在每个波长的拓扑层寻找路径，所以只要有路径存在就不会阻塞[6]，大幅度改善了网络的阻塞性能。

分层图模型定义：网络的物理拓扑为G(V,E,W)，V表示节点集合，E表示链路集合，W表示可用波长集合。将该物理拓扑复制W份，形成分层图中的W个波长拓扑层，然后在这W个波长拓扑层上分别计算源节点到目的节点的路径。分层图模型如图 1所示。

图1 分层图模型

4 路由算法描述

基于分层图模型的 ICBR算法，具体流程描述如下。

（1）预处理阶段

开始时，预处理阶段收集与网络和流量需求相关的所有信息。如：网络的拓扑结构，链路容量，每段光纤的发射功率，放大器的噪声系数等物理损伤评估算法所需要的参数。根据所收集的信息，计算反映每条链路受物理损伤影响的程度Ci值，作为Dijkstra算法中每条链路的权值。

（2）路由和波长分配阶段

采用分层图模型与Dijkstra算法相结合。首先，将物理拓扑G(V,E,W)复制为W个波长拓扑层，再用Dijkstra算法（融入物理损伤作为链路的权值）计算每个波长拓扑层上的权值和最小的路径。若W层均未查找到有效路径，则连接请求被阻塞；否则进入物理损伤评估阶段。

（3）物理损伤评估阶段

物理损伤约束评估阶段，基于路径中的所有物理损伤，验证Q因子（或BER）和OSNR。首先预定门限值：Q因子＞7（相当于BER＜10-12），OSNR＞21 dB。当在目的节点的Q因子（或BER）和OSNR同时满足门限值时，此路径是满足业务服务质量要求的，连接被建立；否则连接请求被阻塞。

基于分层图的ICBR算法流程如图2所示。

5 结语

物理损伤导致的信号质量劣化已成为限制WDM网络性能的主要因素之一，此算法将多种物理损伤，如ASE噪声，SPM/GVD和FWM等线性损伤和非线性损伤，均量化为统一的链路权值Ci，以反映每条光路的信号质量劣化的程度，最终选出光信号足够好质量的路径，有效的规避了多种物理损伤的影响。在实际WDM网络中，考虑到波长连续性的限制，将分层图模型与传统的ICBR算法相结合，降低了网络的阻塞率，提高了网络的整体性能。

[1] 熊余.波长路由网络选路时的光信号质量限制研究[J].通信技术,2008,41(09):123-124.

[2] TOMKOS I, MARKIDIS G, SYGLETOS S. Cross-layer Optimized Optical Grid Networks[C]//IEEE.Broadband Communications, Networks and Systems,2007. BROADNETS 2007. Fourth International Conference. USA:IEEE, 2007:707-713.

[3] MARKIDIS G,SYGLETOS S,TZANAKAKI A, et al.Impairment Aware based Routing and Wavelength Assignment in Transparent Long Haul Networks[J].Computer Science,2007,4534(05):48-57.

[4] JIRATTIGALACHOTE A, MONTI P, WOSINSKA L.ICBR-Diff:an Impairment Constraint Based Routing Strategy with Quality of Signal Differentiation[J].Journal of Networks,2010,5(11):1279-1289.

[5] 徐云斌.OTN控制平面技术.工业和信息化部电信研究院通信标准研究所[EB/OL].(2010-10-15)[2011-08-03].http://wenku.baidu.com/view/337607ff910ef12d2af 9e7f3.hml.

[6] 陈卓.动态光网络中面向约束的路由和波长分配算法[D].武汉：华中科技大学，2008:30-31.