基于辅助图的资源集成方案优化

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：图9-26为具有简单网络拓扑的C-RoFN中的RIP方案的例子，该方案包含3个天线、5个光开关和一个PU。根据资源的请求和状态，可以提供合适的MP作为基于该方案的路径供应。表9-3符号和定义在这项研究中，我们提出了一个辅助图，根据其边缘权重实现了RIP方案。

在所提出的多层体系结构中，应该通过使用多维资源来提供服务，以适应低延迟和高带宽。传统上，无线路径计算在无线中执行，而光网络控制器负责计算频谱路径和频谱分配。如果沿着一条路径分开维护那些维度资源，即路径计算被分成几部分，则很难获得关于资源利用或传播延迟的全局最优结果，如果极端地只考虑局部优化，就无法达到服务要求[17]。从用户的角度来看，无线路径（Radio Path，RP）计算和射频分配应尽可能多地重用无线频谱，而不引起相邻天线之间的干扰。在光传输层中，在光网络层约束下频谱路径（Spectral Path，SP）应该使用较少的频谱资源来携带更多的无线信号，例如频谱连续性和邻接性。在繁重的流量负载情况下，EON可以通过亚波长级或超波长级SP来提供高可用性，以及经济高效和高能效的连接。如果用户设备被放置在小区的边缘上，即位于与两个相邻天线相同的距离和信道环境中，则两个基站都可以为用户服务，但是选择哪个节点用于向设备提供信号和考虑哪个层都是难以解决的问题。因此，我们研究了一种新颖的资源集成供应（RIP）方案，该方案对于所提出的架构来说是必不可少的，它可以支持使用具有无线层和光网络层资源的混合路径的服务调节。这种可以通过无线层和光网络层使用射频和EON资源的路径称为混合路径（Mixed Path，MP），它可以实现更有效的服务供应，即利用更少的资源来增强用户的QoS和网络性能[18]。

图9-26为具有简单网络拓扑的C-RoFN中的RIP方案的例子，该方案包含3个天线、5个光开关和一个PU。在这种情况下，在两个天线节点AR和BR之间的用户设备可以访问它们中的任何一个以进行服务，为简单起见，这两个例子都不考虑CoMP技术。从源节点UE到目的地PU AP的路径用于容纳服务，并且在来自天线节点BR的光纤上承载无线信号。网络中的最短路由我们选择路径UE-BRBO-EO-AP，这意味着光节点BO和EO分别是相关SP的源和目的地，如图9-26（a）所示。由此可见，光链路lBE的频谱利用率非常高，并且当网络负载严重时由于资源耗尽，来自链路lBE的其他请求将被阻止，从而降低了无线覆盖范围和网络性能。在这种情况下，我们假设天线当前不支持切换。所提出的方案不仅需要考虑选择路线的跳数，还要计算边缘权重的和。实际上，辅助图的每个边都有自己的权重，可以根据式（9-12）至式（9-15）计算。路径选择的原则是选择相应链路中具有最小权重之和的路径，这是通过考虑边缘权重的Dijkstra算法导出的。选择UE-ARAO-DO-EO-AP路由是因为它具有与其他路径相比的最小权重总和〔我们给出图9-26（b）中的示例〕，为了解决这个问题，RIP方案使用具有无线和频谱资源的UE-AR-AO-DO-EO-AP的MP来支持该服务，如图9-26（b）所示。我们可以找到与BR相同距离的新天线节点AR来接入UE，以进行业务前传，而在光网络层中具有较低频谱资源使用率的相应光链路lAD可以有效地在新SP上提供无线。注意，一旦为用户服务，所访问的天线就不会被改变，新的MP可以在所提出的方案中有效地提高网络资源利用率并降低阻塞率。

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图9-26　不同方案的示意图

我们将基于MDRI的软件定义C-RoFN表示为加权图G（V，V′，L，L′，F，F′，A）。其中V={v1，v2，…，vn}和V′={v′1，v′2，…，v′n}分别表示一组支持OpenFlow的光交换和天线节点。另外，L={l1，l2，…，ln}和L′={l′1，l′2，…，l′n}分别表示V和V′中节点之间的双向光纤链路的集合。F={s1，s2，…，sF}和F′={s′1，s′2，…，s′F}分别是光纤链路上的光谱和射频的集合。A表示PU节点集；V、V′表示光网络和天线节点；L、L′为链路；F、F′为频谱和无线时隙；A′表示PU节点数量。对于从源节点s到目的节点d的每个服务请求，可以将其转换为所需的网络和处理资源。注意，为简单起见，这些资源包含网络模型分析中所需的网络带宽b和处理资源。我们将上述第i个服务请求表示为SRi（s，d，b，ar），而SRi+1将按时间顺序排在服务需求SRi之后。根据资源的请求和状态，可以提供合适的MP作为基于该方案的路径供应。此外，表9-3列出了研究中使用的一些必要符号及其定义。

表9-3　符号和定义

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在这项研究中，我们提出了一个辅助图，根据其边缘权重实现了RIP方案。每次新的服务请求到达时，系统构建如图9-27（a）所示的辅助图。辅助图每个层中的节点都对应于物理拓扑中的节点。辅助图由无线层和光网络层以及3种无向边缘组成，即无线边缘、RoF边缘和频谱边缘。

如果信号可以在物理网络中提供它们之间的链路，则在无线层中的UE和天线节点之间存在无线边缘。为了测量天线的容纳能力，我们考虑无线频率利用率以及无线链路上的距离和功率比来评估天线的工作量。因此，对于服务请求，在最近时间t0中UE节点i和j之间的无线边缘权重WRij对于评估天线平均近期占用是有用的，其表示为式（9-16）。这里，RFij和RF0表示链路上占用的射频时隙和总资源，而Dij和Pij分别表示节点i和j之间的距离和功率。由于距离和功率的尺寸各不相同，我们使用参数q将它们统一为相同的标准。此外，可调参数k用于归一化无线边缘权重。

无线层的天线节点与光网络层中的相应节点之间的RoF边缘表示从射频到调制光谱的转换。注意，为简单起见，我们使用具有双边带的简单幅度调制来将无线信号调制到光谱。因此，其边缘权重WTij用于评估调制成本，表示为式（9-17）。无线参数包含符号率Bij和当前无线信号的射频Fij，α表示归一化参数。

光网络层可用于表示频谱资源，它可以由可携带无线信号的新光路使用。与WDM网络不同，为了在EON中成功地服务新请求，通过新SP的每个光纤中至少有b+B个连续可用子载波，其中b表示新请求的带宽，B代表保护带宽。此外，考虑频谱连续性约束，新SP的频谱必须在通过路径的所有光纤中是连续的。从光链路的角度来看，为了满足所有服务带宽需求，在链路lij上使用sth子载波的可能频谱分配状态的数量被描述为ms，而每个可能提供状态的连接带宽被表示为bk。因此，lij上的sth子载波的所有可能分配状态的平均带宽 pagenumber_ebook=203,pagenumber_book=192 使用式（9-18）表示，其中 pagenumber_ebook=204,pagenumber_book=193 的值表示第二子载波与相邻可用频谱的连续度。

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另外，lij上的相邻子载波占用状态变化的数量定义为vij，它用来估计一个链路上的频谱碎片程度，更高程度的碎片化意味着在链路上搜索连续频谱更加困难。为了评估频谱利用率，连续和分段的频谱程度的频谱边缘权重 pagenumber_ebook=204,pagenumber_book=193 用式（9-19）表示，其中可调参数μ对频谱边缘权重进行归一化。

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图9-28描述了使用辅助图的C-RoFN中MDRI的RIP方案的伪代码。当新的服务需求到达时，请求SRi（s，d，b，ar）到达网络并根据最近时间t0建立相应的辅助图。注意，根据式（9-19）计算边缘权重来反映C-RoFN的资源利用率。基于辅助图，在多层网络从源节点到目的节点的计算中，使用考虑边缘权重的Dijkstra算法以选择相应链路中具有最小权重之和的路径。实际上，RIP方案的拓扑包含多个层网络（即无线层、光网络层和PU层），并在相关控制器中定期收集和更新相应层中的拓扑信息。在OC中，网络虚拟化模块使节点和链路信息互通以感知EON，并通过合并信息来更新光网络拓扑。另外，RC中的射频监测模块获取并管理天线中的虚拟无线资源，同时PC通过PU监控模块周期性地或通过基于事件的触发来获得PU资源信息。通过ROI和OPI，MDRI控制模块分别接收从RC和PC提供的抽象无线和PU信息，然后计算和接缝RIP方案的辅助图形拓扑。注意，我们使用PCE通信协议（PCEP）的私有协议作为参考，其基于UDP消息命名为无线光网络和光网络PU接口扩展RIP方案的拓扑信息传递和路由。如果所选择的路径是MP（即通过无线和光路），则它确定哪个光节点应该是边缘光节点，以调制无线信号，以及确定是否以及如何设置新的光路。

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图9-28　资源集成供应方案伪代码

我们可以根据所选择的频谱边缘（包括相应的权重）建立新的光路，并让新光路通过具有频谱连续性约束的光纤链路。具有CoMP的路由方案也可以在辅助图中执行，由于空间限制我们将在另一个研究中对其进行分析。图9-27（b）所示为从节点UE到节点AP的新服务请求的示例辅助图，图中标出了无线边缘、RoF边缘和频谱边缘的权重。当有来自节点UE的请求时，使用辅助图的示例性服务MP由Dijkstra算法从UE到节点AP导出，该MP具有最小的相应边缘权重和（即1+2+2+1+1=7）。该MP指定新请求可以由无线层中从UE到AR的无线承载，然后使用从节点AO到EO的新SP来容纳，该SP是与EON中的频谱资源一起建立的。注意，MP使用在设置新光路时的附加调制RoF边缘化AR-AO上。随着网络规模的发展，图形上的存储空间和Dijkstra的计算时间将增加，这会影响操作性能。

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图9-27　RIP方案的辅助图示

由于网络规模的发展，超大型网络被分为多个域进行操作和维护，因为控制信令风暴将不可避免地对单个控制器的性能提出较高的要求。具有多个控制器的MDRI架构可以处理多域网络的信息。在这种情况下，辅助图也可以分成多个域来分别维护相应控制器。实际上，当网络是大规模时才可以执行图上的计算。在一个控制器中执行具有单域辅助图的域内路径计算时，应该使用寻址域间算法（例如BRPC）来计算稀疏路径。因此，该方案具有多域大规模网络的可扩展性。

基于辅助图的资源集成方案优化

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