基于模式间串扰避免的弹性光交换节点冲突解决方法

刘焕淋 王展鹏 任 杰 陈 勇 方 菲 温 濛

①(重庆邮电大学通信与信息工程学院 重庆 400065)

②(重庆邮电大学自动化学院 重庆 400065)

1 引言

传统单芯、单模的波分复用网络将频谱划分为固定波长单位的信道，这种固定栅格的频谱分配方式造成带宽的浪费，并且难以满足高速、不同粒度带宽需求的数据传输要求[1,2]。而空分复用弹性光网络(Space Division Multiplexing-Elastic Optical Networks,SDM-EONs)的光谱被划分为较小的频隙，具有频谱分配方式灵活、传输容量大、资源利用率高等优点[3,4]。因此，大容量和灵活带宽的SDMEONs可以提高数据传输性能[5,6]。基于少模光纤的空分复用技术具有每单位面积携带更多数据、光放大功率高等优点，成为SDM-EONs技术近年来的研究热点。

但是，随着全光节点中业务负载增加，当大量业务经过SDM-EONs全光节点时，存在多个业务同时需要输出至某端口，且请求的频谱资源存在重叠，这些请求相同频谱的业务因竞争相同频谱资源产生冲突和带宽阻塞问题。另外，在SDM-EONs节点，业务在不同模式传输时若频谱存在重叠，则光信号将“泄露”至相邻的模式，造成严重的模式间串扰(Cross Talk,XT)问题，模式间串扰随着光信号传输距离的增加而加剧，严重影响信号传输质量和频谱块资源的可用性[7,8]。

对于光纤中的模式串扰问题，文献[9]提出模式串扰计算公式，但是该计算公式仅在40 km距离和特定100 Gbps传输速率有效。文献[10]在SDMEONs中采用串扰感知的方法对业务进行模式频谱分配，该方法首选重叠数目较少的空闲频谱块承载业务，从而减小模式间串扰。文献[11]提出一种基于串扰避免的SDM-EONs频谱分配方法，该方法采用轮询方式寻找小于串扰门限值的空闲频谱块。文献[10]和文献[11]提出的算法能够有效地降低低负载时业务之间的模式串扰，但是随着负载增加，网络中能够满足串扰条件的空闲频谱越来越少，导致大量业务被阻塞。

另外，为了有效地解决全光节点中业务因竞争相同频谱资源而导致的业务带宽阻塞率过高问题，文献[12]提出一个基于时间预留的EONs节点结构和延迟分配频谱(Specified Time Specified Duration-Delayed Spectrum Allocation,STSD-DSA)的时-频联合算法，该算法将冲突业务预留至下一时隙再进行交换，STSD-DSA算法虽然可以降低业务的带宽阻塞率，但业务平均时延和串扰问题均未考虑。文献[13]提出一种针对多播业务的波长域冲突解决方法，该方法在全光节点结构中配置有限频谱转换器(Limited Range Spectrum Converter,LRSC)，将冲突业务的频谱在一定转换范围内进行频谱转换，该方法虽然可以降低全光节点中业务的带宽阻塞率，但是未有效考虑频谱碎片和频谱转换后的串扰情况，随着全光节点中业务负载增加，节点需要配置的LRSC数量(Number of LRSC,NL)快速增加。文献[14]在文献[12,13]基础上，提出一个基于业务持续时间的滑动窗路由模式频谱时隙分配

(Sliding Window-Routing Spectrum Mode and Time Assignment,SW-RSMTA)的空-时-频算法，该算法规定在预留时隙窗口内，冲突业务可以选择延迟任意时隙进行交换，降低业务的带宽阻塞率和平均时延；并且SW-RSMTA算法还在全光节点收发端配置多输入多输出数字处理设备(Multiple Input Multiple Output-Digital Signal Processing,MIMO-DSP)对信号传输中受到的物理损伤进行补偿，降低串扰对业务传输过程中对光信号质量的影响。

文献[15]考虑在多芯光纤的SDM-EONs的按需全光节点结构中配置LRSC，提出一个基于频谱连续度的空-频域联合冲突解决算法，该算法采用先空域、后频域的方法解决业务的冲突调度，使全光节点的带宽阻塞率进一步降低，但是该方法没有考虑芯间的频谱串扰问题。

虽然LRSC可在频域即时解决冲突业务，但是随着大容量少模光纤应用于SDM-EONs网络，不同于文献[14]的多芯光纤的SDM-EONs，少模SDM-EONs的模式间串扰使频谱资源的可用性变得更加复杂，LRSC的频谱转换能力不仅要考虑频谱碎片，还需要考虑模式间串扰导致的频谱块资源不可用问题[16]。

基于以上分析，本文考虑LRSC的数量、LRSC的转换范围和少模光纤的模式间串扰问题，设计一个基于时域资源预留和共享有限频谱转换器的全光分层节点结构(all optical Layered Architecture based on Resource reservation and Shared Limitedrange sp ectrum converter,LARSL)，并基于LARSL，提出基于纤芯模式间串扰避免的空-频-时域联合资源冲突解决算法(Crosstalk Avoidancebased on space,frequency and time domain combing resource Conflict Resolution Algorithm,CACRA)。

2 共享LRSC和资源预留模块的全光分层交换节点结构

SDM-EONs网络根据业务请求的源、目的光节点为业务分配一条光传输路径，且为光路分配满足频谱连续性和频谱一致性的可用频谱块。但是，随着网络中业务负载快速增加，能够满足业务频谱连续性和一致性的频谱资源逐渐耗竭，模式间串扰问题进一步降低了频谱资源的可用性。同时，为了满足不断增长的IP数据需求，网络运营商不得不部署更多大容量的网络设施，规模化发展的网络设施使得业务调度和资源分配更加复杂，提高资源利用率是降低高负载网络带宽阻塞率的有效途径之一[17]。

为了降低业务的带宽阻塞率，文献[16]提出一个分层交叉连接全光节点结构，采用频谱分散扫描-频谱优先-路由频谱分配(Layer optical cross connections-Scattered Spectrum Scan with-Spectrum First-Routing and Spectrum Allocation,Layer SSS-SF-RSA)的空-频算法调度业务，但是，其冲突解决能力与第2层中模式交换端口数有关，当业务负载增加时，模式交换所需的端口数快速增加，使所需配置的光器件数量迅速增加。文献[13,14]分别使用资源预留模块和频谱转换模块处理冲突业务，证明在减少所需端口时同时，能降低业务的带宽阻塞率。

本文提出的基于资源预留和共享LRSC的全光分层节点结构(all layer Layered Architecture based on resource Reservation and Shared Limited range spectrum converter,LARSL)，如图1。本结构包括1个控制模块，N个输入/输出端口，每个端口内有1根纤芯，每根纤芯有M种模式，模式间切换使用空间选择开关(Space Selection Switch,SSS)，每个端口包含1个模分复用/解复用器和1个MIMO-DSP[14]，模分复用/解复用器用于复用和解复用信号的模式，MIMO-DSP可以缓解信号在传输过程中的物理损伤。控制模块主要功能是调度业务使用各端口和各模块设备的资源。

在图1中，基于LARSL，业务最多可被分配至3个资源维度传输，以减少业务被阻塞的概率。当光纤中的业务进入输入端口时，首先会经过模式解复用器将光纤解复用为M个模式，其次解复用后的M个模式中的业务通过MIMO-DSP补偿传输过程的光信号物理损伤；控制模块控制M个模式中的业务在LARSL的第1层进行N×N全连接模式的频谱空间交换。若业务因竞争相同频谱资源而导致冲突时，控制模块将冲突业务切换至由共享LRSC池和资源预留池组成的全光分层节点结构第2层进行调度，第2层根据本文所设计的冲突解决算法，将冲突业务在频谱转换范围内进行频谱转换，或将业务预留一定时隙后再调度。最后这些成功调度的业务经过MIMO-DSP和模式复用器复用至光纤上进行传输。光节点在调度中，若发现频谱分配或频谱转后存在模式间串扰问题，则采用本文设计的频谱串扰避免方法分配模式和频谱。

图1 基于共享LRSC和资源预留模块的全光分层节点结构(LARSL)

3 基于串扰避免和空-频-时域联合的资源冲突解决算法

LARSL可以灵活地实现业务在节点中的交换和冲突解决，但是LARSL中配置的光器件数量过多，不同模式之间相同频谱占用将导致模式串扰问题，所以本文在LARSL基础上提出一个基于串扰避免的空-频-时域联合资源冲突解决算法(Crosstalk Avoidance-based on space,frequency and time domain combing resource Conflict Resolution Algorithm,CACRA)。所提LARSL-CACRA首先根据模式和频谱资源的占用情况，构造模式串扰辅助图；其次，在空-频域提出一个基于滑动窗的频谱资源块计算方法计算不同空闲频谱块资源值，并更新模式串扰辅助图；然后，根据频谱资源值和串扰值选择合适的空闲频谱块进行转换；最后，对于空-频域不能解决的冲突业务，预留模块将冲突业务预留至下一时隙调度。

3.1 模式串扰辅助图

不同模式的相同频谱被业务占用将产生模式串扰问题，模式串扰问题严重影响业务传输性能[5]。为此，本文基于模式串扰和频谱占用情况构造模式串扰辅助图，每一个模式-频谱块(Mode Spectrum,MS)由2部分组成，如式(1)所示，MS有2个下标，用k和f表示，分别代表模式和频隙索引值，MS由频谱占用(Spectrum Occupied,SO)标识SO和串扰值(Crosstalk Value,CV)标识CV表示，其中，式(1)中的SO为布尔变量，表示频隙是否被占用，若被占用，SO=1，否则SO=0。

图2(a)表示一根光纤的5个模式的7个频隙的MS值分布情况，现有A,B,C和D共4个业务等待分配模式-频隙资源。在图2(a)中，M S1,1={2,1}表示模式LP01中模式1的频隙1串扰值CV=2，且模式1的频隙1被占用，所以SO=1。参考文献[14]研究表明：不同模式的信号之间存在串扰，即LP01,LP21和LP11之间存在模式间串扰；而相同模式的不同分组间不存在串扰，即LP11a和LP11b没有串扰，同理，LP21a和LP21b没有串扰

根据不同模式之间相同频谱占用情况，设计式(1)、式(2)、式(3)构造串扰辅助图，反映各光纤端口模式-频谱资源占用和频谱被影响的串扰值，便于计算空闲的频谱资源块。

3.2 基于滑动窗的频谱块资源衡量方法

当业务到达LARSL时，控制模块根据业务的目的端口交叉连接，对每个目的端口，根据频谱占用和式(1)、式(2)、式(3)构造串扰辅助图。如图2(a)所示，目的端口上的每个业务包含3个参数，分别表示业务的模式分组、起始频隙和截止频隙索引号，则业务A和B所对应的模式和频谱均空闲，业务A和B分配频隙后，利用式(1)、式(2)、式(3)更新串扰辅助图，更新占用频隙的串扰辅助图如图2(b)所示。由于不同模式占用相同频谱才产生串扰，所以图2(b)、图2(c)、图2(d)只显示了串扰改变区域的辅助图情况。对业务分配频隙后，检查所分配频隙的串扰值是否小于阈值，即满足式(4)，其中CV值由式(2)进行计算，而TH是串扰阈值，若满足式(4)，则该频谱可以分配给业务，否则，不能分配。若设TH=4，由式(2)计算业务A和B模式-频谱分配后的串扰值均为2，满足式(4)，则业务A和B分配的模式-频谱可行。

图2 模式-频隙的串扰辅助示意图

3.3 LARSL-CACRA算法

4 仿真性能与分析

4.1 仿真环境及评价指标

为了验证本文所提LARSL-CACRA性能，与同样解决少模光纤SDM-EON冲突调度的STSDDSA[12]算法、SW-RSMTA[14]算法和Layer SSS-SFSRA算法[16]进行性能对比。该验证在14节点、21条链路的NSFNET网络中，具体仿真参数为：LARSL的输入/输出端口数N=4，多模光纤的模式有LP01,LP11和LP21，其中LP11和LP21分别有2个模式分组：LP11a,LP11b和LP21a,LP21b[14]，每个模式有240个频隙[18]，每频隙大小为12.5 GHz。本文的数据业务均为预留型数据业务，且业务经过LARSL前未使用资源预留模块处理业务，即Tb=0。参考文献[12]证明，最大预留时隙L设置为1或2。所需LRSC数量NL和频谱转换范围CR根据仿真结果进行确定。业务到达率λ服从泊松分布，在LARSL节点的业务服务时间服从μ的负指数分布，业务带宽大小服从[1,21]频隙的均匀分布。为了体现少模光纤的SDM-EONs大容量传输数据的特点，本文的串扰门限值TH=4，业务采用二相相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)调制。

4.2 仿真结果分析

在LARSL节点中，当LRSC的CR和NL变化时，图3仿真了CACRA算法的带宽阻塞率(BBP)性能。由于文献[14]中LRSC的CR和NL的递增值分别为4和10，所以本文LRSC的CR和NL也遵循该递增规律。设资源预留时隙L=1。考虑LARSL在中等偏重负载情况下的调度冲突解决能力，设节点的负载为0.6。图3中，随着LRSC的CR和NL数量增加，带宽阻塞率呈下降的趋势，这是因为LRSC数量增加，更多的冲突业务能够通过转换频谱而解决冲突；同理，随着LRSC的转换范围越大，可供冲突业务转换的空闲频谱被找到的概率越高。由图3可知，当NL>20和CR>24时，业务的带宽阻塞率下降速度明显变缓，考虑到全光节点的性能和全光节点中配置光器件数量的性价比，后续仿真中，设LRSC的NL=20,CR=24。

图3 不同NL的BBP(L=1)

在图4中，比较了3种算法在不同负载和节点预留时隙的带宽阻塞率性能，由于Layer SSS-SF-SRA算法[16]是空-频冲突解决算法，没有时域资源模块，在这里，所以本文选择STSD-DSA算法和SWRSMTA算法与本文的LARSL-CACRA(如表2所示)进行对比。文献[12]考虑业务的平均时延，认为预留时隙L设置为1和2。本文综合考虑不同预留时隙、全光节点结构和冲突解决算法的业务带宽阻塞率情况选择合适的预留时隙。LARSL中不仅配置了LRSC，还配置了资源预留模块，但是业务预留时隙过多，导致业务的平均时延过高，所以需要结合全光节点结构和冲突解决算法选择最优的资源预留时隙。如图4所示，为了确定合适的预留时隙阈值，需要分析不同算法下不同资源预留时隙阈值的带宽阻塞率情况。

表1 业务C冲突转换资源值计算结果

表2 LARSL-CACRA算法

从图4可以得到，随着负载的增加，3种算法的带宽阻塞率都会增加，因为负载增加后，节点各端口的空闲模式-频谱块资源减少，频谱资源冲突概率更高，业务调度成功更加困难。但是，本文所提LARSL-CACRA算法相比同样具有空-时-频解决能力的SW-RSMA算法和时-频调度STSD-DSA算法的带宽阻塞率都更低，这是因为LARSL-CACRA算法采用滑动窗方法搜索和计算空闲模式-频谱块的资源值，并构造有效的串扰辅助图方法，选择满足串扰阈值要求的模式-资源频谱块分配给业务，有效地降低了业务的模式间串扰和频谱块资源冲突概率，减少了业务的带宽阻塞率。而采用了LRSC和MIMO-DSP解决频谱冲突和串扰感知问题的SW-RSMA算法，由于没有量化串扰值计算和能均衡负载分配的模式-频谱资源值计算方法，无法选择更有效的模式-频谱块分配给业务，因此SW-RSMA算法的阻塞率比LARSL-CACRA算法高。而STSDDSA算法采用了时-频冲突调度，节点没有配置LRSC，缺乏空域的冲突解决和模式间串扰解决方法，所以在相同负载下，STSD-DSA算法的阻塞率最高。随着预留时隙L的增加，3种算法的带宽阻塞率都减小，这是因为预留时隙越多，冲突业务等待一定时间后被调度成功的概率越大。虽然预留时隙越大，业务的带宽阻塞率越低，但是相同算法在相同负载的不同预留时隙阈值设置下，业务的带宽阻塞率变化较小。

图4 不同预留时隙的BBP(NL=20,CR=24)

结合图3和图4分析结论，在下面的仿真中，设置LARSL配置LRSC的NL=20和CR=24，L=1。

为了进一步证明本文所提LARSL-CACRA算法性能，图5增加对比了采用分层交叉连接全光节点结构的Layer SSS-SF-SRA算法性能，Layer SSS-SF-SRA算法也采用2层全光节点结构，但频谱资源冲突解决方法采用首次适应的模式内频谱交换。在图5中，随着负载增加，4种算法获得的带宽阻塞率都呈现上升趋势，其中Layer SSS-SFSRA算法略高于LARSL-CACRA算法，这是因为LARSL-CACRA算法改进了Layer SSS-SF-SRA算法的模式分配方法，且本文所提LARSL-CACRA算法不依赖于端口数量，由于采用了串扰辅助图方法和模式-频谱块资源值计算法寻找更有效的模式-频谱块，相比需要消耗大量模式和频谱端口便于光交叉连接的Layer SSS-SF-SRA算法，LARSLCACRA算法获得的带宽阻塞率更低。

图5 不同光节点和算法的BBP(NL=20,CR=24,L=1)

在图6中，本文比较了3种具有时域冲突解决能力算法的平均时延性能。由于Layer SSS-SF-SRA算法[16]是空-频冲突解决算法，没有时域资源模块，所以本文选择具有时域资源模块的STSD-DSA算法、SW-RSMTA算法与本文的LARSL-CACRA算法进行时延性能对比。结合图5可以发现，本文所提LARSL-CACRA算法能够有效降低业务在交换时被阻塞概率，同时业务在经过光节点时引起的平均时延也较低。由图6可发现，随着负载增加，3种算法的业务平均时延逐渐增加，这是由于节点中需要交换的业务量增加，空闲的端口和模式-频谱块资源减少，业务竞争模式-频谱块资源的概率增加，更多竞争时变的业务需要进入时域资源模块进行缓存的冲突调度。而在相同负载下，本文所提LARSL-CACRA算法获得的平均时延最低，这是由于本文设计了有效的串扰辅助图和通过模式-频谱块资源值选择负载更轻的模式-频谱块分配给业务，提高了资源利用率，降低了业务的模式-频谱资源冲突概率，减少了业务需要时域冲突解决的概率。而对比的SW-RSMTA和STSD-DSA算法，由于在模式-频谱块分配中缺乏串扰值避免的有效方法和均衡资源选择的资源衡量方法，降低了模式-频谱资源块的利用率，使得更多的业务需要借助时域的资源预留模块解决冲突业务的调度，增加了业务通过光节点的平均时延。

图6 不同预留时隙的平均时延(NL=20,CR=24,L=1)

5 结束语

本文设计了一个基于共享LRSC和具有时域资源预留的少模光纤SDM-EONs全光分层节点结构(LARSL)，并提出一个基于串扰避免和空-频-时域联合的资源冲突解决算法(LARSL-CACRA)。在LARSL-CACRA算法中，本文在空-频域采用了串扰辅助图和设计了一个基于串扰避免的滑动窗模式-频谱块资源搜索和资源值计算方法，选择负载均衡的模式-频谱块分配给业务，提高资源利用率和降低业务阻塞率，同时，通过引入时域资源预留模块，进一步降低业务的带宽阻塞率。随着互联网发展和大量数据业务的应用，所提算法可以有效地提高少模光纤SDM-EONs光网络的资源利用率和网络服务性能，同时所提LARSL节点结构配置的光器件数目少，对降低光交换机造价和提高光节点的性价比意义非凡。