学术研究报告：空间复用弹性光网络中的保护性路由、频谱、纤芯与调制分配算法

一、作者与发表信息

本研究由巴西坎皮纳斯州立大学（State University of Campinas）计算机研究所的Helder M. N. S. Oliveira和Nelson L. S. da Fonseca合作完成，发表于2017年IEEE国际会议（会议论文），标题为《Routing, Spectrum, Core and Modulation Level Assignment Algorithm for Protected SDM Optical Networks》。

二、学术背景

科学领域：本研究属于光纤通信网络中的弹性光网络（Elastic Optical Networks, EONs）与空间复用技术（Space Division Multiplexing, SDM）交叉领域。
研究动机：随着互联网流量激增，单芯光纤的容量逼近极限，SDM通过多芯光纤（Multi-Core Fiber, MCF）或模分复用提升容量，但引入新挑战：多芯路径的故障保护需同时考虑频谱、纤芯和调制格式的协同分配。现有研究缺乏针对SDM-EONs的动态保护算法，尤其缺乏结合自适应调制（Adaptive Modulation）的方案。
研究目标：提出一种新型算法BARTMAN（Backuping, Routing, Spectrum, Core and Modulation Level Assignment），在SDM-EONs中动态生成主备路径，实现共享备份保护（Shared Backup Path Protection, SBPP）和自适应调制，以降低阻塞率（Blocking Ratio）和串扰（Crosstalk）。

三、研究流程与方法

1. 问题建模：

   • 将网络频谱资源建模为带权多重图（Labeled Multigraph），边权重表示时隙（Slot）可用性（1=空闲，∞=占用）。
     
   • 根据调制格式（如64QAM、QPSK等，见表I）动态分配带宽需求（( b_m )），将多重图拆分为( c \times (n - b_m + 1) )子图（( c )为纤芯数，( n )为时隙数），确保频谱连续性。
     

2. 算法设计（BARTMAN）：

   • 主路径选择：通过Dijkstra算法在所有子图中搜索最短路径，优先选择权重最低的路径。若权重为∞，则请求被阻塞。
     
   • 备份路径生成：若存在共享备份路径（与主路径链路分离），则直接分配；否则动态生成新备份路径，要求其与主路径及现有备份路径无冲突。
     
   • 资源更新：分配成功后，将主备路径占用的时隙权重设为∞。
     

3. 实验验证：

   • 仿真平台：使用FlexGridSim模拟器，在USA（24节点，43链路）和NSF（16节点，25链路）拓扑中测试。
     
   • 参数设置：7芯光纤，每芯320时隙；请求类型为125Gbps、400Gbps和1Tbps，负载范围0–400 Erlangs。
     
   • 对比算法：BPPM（最短路径保护）、FIPPMC（无自适应调制）、SSCAM（基于k-最短路径）。
     

四、主要结果

1. 阻塞率（Bandwidth Blocking Ratio, BBR）：

   • 在USA拓扑中，BARTMAN在250 Erlangs负载下才开始阻塞，比其他算法（如BPPM在75 Erlangs阻塞）低3个数量级（图3）。
     
   • NSF拓扑中，BARTMAN在325 Erlangs时阻塞率仍低于SSCAM两个数量级（图6）。
     

2. 串扰比（Crosstalk per Slot, CPS）：

   • BARTMAN通过主备路径纤芯交错分配，将USA拓扑的CPS控制在0.007–0.14，显著低于FIPPMC（0.41）和SSCAM（0.15）（图4）。
     

3. 能效（Energy Efficiency）：

   • 在NSF拓扑中，BARTMAN能效（200–350 Mbits/Joule）高于SSCAM，因自适应调制优化了长路径功耗（图8）。
     

五、结论与价值

科学价值：
- 首次提出结合自适应调制与共享备份保护的SDM-EONs动态分配算法，解决了多维度资源协同优化难题。
- 通过多重图建模和子图拆分，确保频谱连续性和低串扰，为SDM网络保护提供新方法论。

应用价值：
- 适用于高容量光网络场景（如数据中心互联），在保证100%单故障保护的同时，显著降低阻塞率和能耗。

六、研究亮点

1. 创新性方法：

   • 提出基于多重图的动态子图拆分策略，实现频谱-纤芯-调制三维资源联合优化。
     
   • 首次将自适应调制（如64QAM短距、QPSK长距）引入SDM保护算法。
     

2. 性能优势：

   • 在相同负载下，BBR和CPS均优于现有算法，尤其适合高负载网络。
     

七、其他贡献

• 开源仿真工具FlexGridSim的扩展应用，支持多芯光纤和SDM参数配置。
  
• 为后续研究提供基准数据集（USA/NSF拓扑下的性能曲线）。
  

（注：本文未包含的细节可参考原文中的实验参数与算法伪代码。）