弹性光网络中基于共享备份路径保护的距离自适应动态路由与频谱分配研究

作者及发表信息
本研究由Chao Wang、Gangxiang Shen（IEEE高级会员）和Sanjay Kumar Bose（IEEE高级会员）合作完成。Gangxiang Shen来自中国苏州大学电子与信息工程学院，Sanjay Kumar Bose来自印度理工学院古瓦哈提分校电子与电气工程系。论文发表于2015年7月15日的《Journal of Lightwave Technology》（Vol. 33, No. 14），DOI编号为10.1109/JLT.2015.2421506。

学术背景
弹性光网络（Elastic Optical Networks, EONs）是传统波分复用（WDM）网络的演进技术，通过灵活分配频谱资源（如正交频分复用技术OFDM）提升带宽利用率。然而，EONs的生存性问题（如链路故障恢复）亟待解决。共享备份路径保护（Shared Backup Path Protection, SBPP）因其高容量共享效率成为研究热点，但现有研究未充分考虑物理层损伤（如距离导致的调制格式差异）和频谱共享的动态优化。本研究旨在提出一种距离自适应的动态路由与频谱分配（RSA）算法，结合频谱窗口平面（Spectrum Window Planes, SWPs）和差异化频谱槽（Frequency Slot, FS）成本策略，以降低带宽阻塞概率（Bandwidth Blocking Probability, BBP）并提升频谱效率。

研究流程与方法
1. 问题建模与算法设计
- 网络模型：将EONs抽象为图G(V,E)，其中V为节点集，E为双向光纤链路集。每个请求表示为CR(s,d,r)，s、d为源/目的节点，r为带宽需求。
- 调制格式与距离适配：采用BPSK、QPSK和8QAM三种调制格式，其频谱效率（SE）分别为1、2、3 bit/s/Hz，透明传输距离依次递减（见表I）。根据距离动态选择调制格式，计算所需FS数量：f = ⌈r/(b·SE)⌉，其中b为单个FS带宽（12.5 GHz）。
- 频谱窗口平面（SWPs）：将连续FS组成的频谱窗口（SW）映射为SWPs，每个SWP对应一个起始和结束FS索引（startIndex, endIndex）。通过SWPs实现路由与频谱分配的联合优化。

1. 动态RSA算法

   • 工作光路建立（Algorithm 1）：
     
     1. 按调制格式优先级（8QAM→BPSK）遍历，计算所需FS数量f。
        
     2. 创建SWPs列表，移除已被占用的链路。
        
     3. 使用Dijkstra算法在SWPs上搜索最短路径，选择距离适配的调制格式。
        
   • 保护光路建立（Algorithm 2）：
     
     1. 排除工作路径重叠链路，检查FS可用性（空闲或可共享）。
        
     2. 差异化FS成本策略：定义共享FS成本为c_sw = Σ(1/(m+1))，m为共享该FS的保护光路数量。成本越低，共享优先级越高。
        
     3. 基于最小成本路径选择保护路由，优化频谱共享。
        

2. 性能评估

   • 仿真设置：在NSFnet（14节点21链路）和COST239（11节点26链路）拓扑中模拟动态流量（泊松到达，指数分布保持时间）。
     
   • 对比方案：固定路由（FR）SBPP、1+1专用保护，以及传统均匀FS成本策略。
     
   • 评估指标：BBP、频谱效率、收发器可调谐范围的影响。
     

主要结果
1. BBP优化：
- 提出的SWP算法在NSFnet和COST239中分别降低BBP达30%和46%，优于FR-SBPP和1+1保护（图6）。
- 差异化FS成本策略通过动态调整共享权重，显著提升保护容量利用率（图5）。

1. 收发器可调谐性影响：

   • 有限可调谐范围（d=240~320）即可接近全可调谐性能（图7），降低硬件成本。
     

2. 算法复杂度：

   • 工作光路算法复杂度为O(tw(m+n²))，保护光路为O(tw(2m+n²))，其中t为调制格式数，w为FS总数。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 首次将距离自适应调制格式与差异化FS成本结合，解决了SBPP-EONs中物理层损伤与频谱碎片化问题。
- 提出的SWP算法为动态RSA提供了集成优化框架，突破了传统分步优化的局限性。

1. 应用价值：
   
   • 为高生存性EONs设计提供了实用工具，尤其适用于动态流量场景。
     
   • 通过有限可调谐收发器实现高性能，降低了运营商部署成本。
     

研究亮点
1. 创新方法：
- 差异化FS成本策略首次量化共享状态对路由决策的影响。
- SWP概念将频谱资源抽象为多维平面，实现路由与频谱的联合搜索。

1. 重要发现：
   
   • 网络连通性（如COST239的高节点度）可进一步放大算法优势，提示拓扑设计需与保护策略协同优化。
     

其他有价值内容
- 论文探讨了未来研究方向，如信号再生、流量疏导（Traffic Grooming）和保护光路碎片整理（Defragmentation），为后续研究提供了框架。

（注：术语翻译示例：弹性光网络（Elastic Optical Networks）、频谱槽（Frequency Slot）、带宽阻塞概率（Bandwidth Blocking Probability））