RSA整理--频谱路由分配算法

0.背景介绍

随着互联网的高速时代来临，智能设备、消费类电子等对于数据流量的告诉需求，迫使数据带宽呈几何级数增长。据Cisco公司2015年1月份的财务报告指出，2016年，全球IP流量将达到每年1.1皆字节，即月均88.7艾字节（10亿吉字节[GB]）。到2020年，全球IP流量将达到每年2.3皆字节，月均194艾字节。全球IP流量将在今后5年增长近3倍。

图1.Cisco固网业务流量规模预测(CiscoVNI™-中文版白皮书2015-2020)

光纤通信的超高速传输速率和不断提升的系统容量针对性的解决了这个问题。目前，大部分光传送网都使用了基于点对点的密集波分复用技术(DenseWavelength Division Multiplexing,DWDM)，将各个网络节点之间进行连接。网络层之间的数据交换通过可重构光分叉复用器ROADM，以波长交换的方式实现高速数据的交换和转发。光传输技术目前已经商用的有单通道10Gbps和40Gbps，单通道100Gbps已经在国内开始运行，400Gbps已经完成实验室研发。但是DWDM技术在带宽分配和性能管理上均采用“一刀切”的固定模式，通道间隔、调制格式都是固定不变的，这种方式对频谱资源利用死板，效率不高。因而在2012年[GJLY12]提出了频谱上分配管理更加灵活的弹性光网络技术，所以这也是近几年的研究热点之一。

1.问题特征

弹性光网络中不同业务类型、不同调制格式、不同颗粒度的子载波信道在网络中共存，使得弹性光网络中频谱资源的实时控制和管理复杂、频谱分配约束条件增多、光传输过程中的物理损伤影响大。所以，弹性光网络的当前任务是要在满足能耗和传输质量的前提下对底层的频谱资源进行实时的控制和管理，RSA便是建立动态路由的策略之一。

2.路由和频谱分配(Routingand spectrum allocation,RSA)定义性问题

根据用户的业务请求和连接需求，建立一条端到端的光路，并在路由上分配足量的带宽资源。解决的是路由选择问题与带宽资源分配问题，目的是满足某种最优的性能指标。其实现的关键设备是可重配的光分叉复用器ROADM、波长选择开关以及带宽可调的发射机，技术基础是灵活多变的OFDM和Nyquist-WDM技术[???]。

3.算法本身的特点

相比于DWDM网络中的（Routingand WavelengthAssignment）RWA技术，弹性光网络中的RSA操作粒度更细(12.5GHz?添加引用)、灵活性要求高（多粒度共存）。RWA路由问题仅需要遵循波长连续性限制、波长不重叠限制，但是在RSA问题中，便迁移为频谱不重叠限制与频谱连续性限制，以及增加的一个限制条件频谱邻接性限制。这个新增的限制条件让频谱的利用率更加紧凑。所以传统的RWA问题，无法适用于RSA问题，并且没有RSA算法的利用效率高效。

1.NP复杂度问题在希腊帕特雷大学的K.Christodoulopoulos研究了静态RSA路由问题，即在所有请求已知的情况下，优化RSA的资源利用率，为此构建了一系列整数线性规划算法，证明了RSA/RMSA问题是NP-Complete问题[卢薇-25]。

2.静态和动态特点

频谱路由分配管理具有与波长路由分配方案类似的属性，按照时间属性，可以分为静态RSA路由问题和动态RSA路由问题。静态RSA路由问题是在预先分配好多条光通道的条件下，在获取固定的连接请求和业务请求后，计算路由方案和频谱分配方案；动态RSA路由问题是在保持之前一定请求下的光通道情况下，按照到达的连接请求和业务请求，为其分配路由和频谱，并且在一段时间之后会被拆除。前者是离线的，而后者需要实时计算，对算法的性能要求更高。

4.算法的实现方法

1.RSA通常情况下需要满足频谱邻接性、频谱连续性和频谱冲突三个限制条件

频谱邻接性指的是每个业务的连接请求所分配的频谱间隙是相互连续的，中间没有间隔，这个处理过程受发射机的控制。频谱连续性类似于RWA中的波长一致性，即已分配好的频谱（波长）在建立的光路上，前一条链接和后一条链接上保持一致。频谱冲突限制是指业务连接请求之间需要一定的保护带宽，用以保证每条业务连接请求所占用的频谱间隙不重叠，确保信号在传输、处理过程中不会相互干扰。

下面举一个例子说明频谱灵活光网络中RSA的三个限制条件。如图[频谱灵活限制]所示，图中存在A业务路径和B业务路径。频谱连续性约束条件是路径经过的每条链路使用相同的频谱集合，也就是在路径上传输时为业务分配的频谱资源在频谱数轴上保持不变；频谱邻接性约束条件是指为每条业务分配的频谱单元在频率轴上是连续的（频谱对齐）；频谱冲突约束条件在图中的表现，如在节点3到节点4的链路上，A业务和B业务的信号频谱之间有一定的保护频谱单元，用以保护信号传输过程中不会相互干扰。但是在研究频谱灵活光网络时，通常情况下只考虑其中两个约束条件：频谱连续性和频谱邻接性。

图[频谱灵活限制].[基于OFDM频谱灵活光网络路由与频谱分配问题研究]

2.RSA大致方法分类

与RWA问题类似,RSA问题也可以被分为两个子问题:路由选择问题和频谱分配问题。

a、路由选择问题

路由问题主要分成搜索和选择两个部分。其中的搜索是根据实际业务需求来计算可用的路由,主要实现方法有最短路径(SP)、基于权重的最短路径(WSP)、K-最短路径(K-SP)等。路由的选择功能有两种选择方法,分别是顺序选择和混合优化选择。第一种顺序选择算法包含选择顺序和选择规则两个部分。在路由的选择过程中通常是依据实际各业务需求，确定选择的顺序,即先为哪一条业务确定路由。常见的选择顺序有固定顺序选择和随机顺序选择。而选择规则是为业务需求定义一种固定的规则,并且按照这种规则在多条可用路由中选择合适的路由。常见的选择规则有随机选择、首次命中(First-Fit)策略、按照使用概率选择和最小权重链路优先。随机选择是指随机地在可用路由中选择一条;首次命中策略的思想是在可用路由中选择第一个满足条件的;按照使用概率选择规则是指根据使用概率在可用路由中选择;最小权重链路优先规则的思想是选择包含最小数量的已建立路由的链路。

混合优化选择问题分为两类,优化算法和启发式算法。优化算法是用来模拟实现设定的优化目标,这一过程是通过使用混合整数规划(MixedInteger Program,MIP),并且采用多商品流(Multi-CommodityFlow)模型来进行。而启发式算法则首先是按照比较简单的顺序选择的方法确定一组初始解,然后按照某种优化目标,不断循环修改各业务的路由直到达到优化目标为止。这两种算法最大的不同之处在于:优化算法最终得到的是关于优化目标的全局最优解;而启发式算法则得到的是局部最优解。但是启发式算法相比优化算法而言,最大的优点是在运算规模和计算时间上要节省很多。

b、频谱分配问题

频谱分配问题可以用下面几种策略来解决:

首次命中(First-Fit):在这个方案中,所有的频隙数是一定的。通过预计算K最短路径算法,找到k条候选路径,在升序排列的频隙中找到必要的连续频隙,并选择第一个找到的路径和频隙。这个算法同WDM网络中的波长分配首次命中策略相似。

随机选择:针对一条路径,首先寻找一个可用的频谱集合,然后从集合中随机选择一个频谱带宽来建立光路由。该算法的随机分配特性决定了其不能很好的改善网络性能,在没有波长变换的网络中,容易造成阻塞。

频谱分配算法快速而简单,不需要遍历所有频隙资源,但在某程度上有一定的劣势。比如当一条链路有多处频隙可占用,小频隙序列的频谱块在业务占用后有空闲频隙剩余,而中频隙序列刚好满足业务需求,按照首次命中算法将选取小频隙序列的频谱块并剩余空闲频隙,从而产生频谱碎片。但如果选取中频隙序列刚好满足业务需求的频谱块,则不会产生频谱碎片。（需要自己重新表述）

5.别人在设计算法的时候，一般都从出于什么需求，重新规划这个问题？以及对于规划后的问题，所采取的研究策略。

[From wei lu's phd thesis]

1大部分人提出的RSA策略都只考虑单一请求类型的网络业务，即即时资源预留请求。但是，实际网络场景中通常是具有不同服务质量参数、不同请求类型的混合传输情况。

对应采取的办法是使用提前资源预留请求、即时资源预留请求以及弹性资源预留请求的带宽资源分配与调度方案。[LuZM15]

2弹性光网络中的资源请求是一个动态的过程，因此希腊帕特雷大学的研究者K.Christodoulopoulos研究了在用户请求动态的到达与离开情况下，部署RSA方案，以优化请求的阻塞率。同时，还就具有时变比特传输的用户请求，设计了机制动态频谱分配方案，并提出了一种迭代RSA算法，最小化请求的阻塞率[卢薇-26]。

3.距离自适应的RMSA问题。XX年，日本NTT的M.Jinno研究距离自适应的RMSA问题[28-31],提出了几种基于K最短路径路由的频谱分配方案[JKBH10,KTSW10,SHKJ11,THSS11]。

4.静态路由中避免冲突。波兰的研究人员XXX,在XXX年这对这个问题提出了基于禁忌搜索和一种基于分支定价的启发式算法。同时，针对时变网络流量的特点，提出了一种弹性频谱分配方案。[KRLD13]

5.分布式的频谱路由分配方案。西班牙的XXX,在XXX年提出了一种基于GMPLS的分布式频谱分配方案。

[MCRM11]。

6.另外，考虑弹性光网络的维护周期，西班牙的L.Velasco研究线上和线下的RSA/RMSA规划问题，构建基于节点和路径的ILP模型，然后利用列生成算法和启发式算法解决线下RSA/RMSA规划问题，最后提出列生成算法解决在线RSA/RMSA规划问题。[VCRJ14]

7.负载均衡的频谱分配问题。美国乔治亚州立大学Y.Wang等针对这个问题（？证明了NP-Complete问题吗），构建了ILP模型，使用最短路径路由和最大化频谱使用的RSA算法[WaCP11,WCHP12].

8.流量汇聚问题。美国加州大学戴维斯分校的B.Mukerjee教授针对静态路由和动态路由，提出了高效的启发式RSA算法。[LiTM13,ZhMM13, ZhDM12]

6.我所发现的研究点... ...

[GJLY12]Gerstel O, Jinno M, Lord A, et al. Elastic opticalnetworking: A new dawn for the optical layer?[J]. IEEE CommunicationsMagazine, 2012, 50(2): s12-s20.

[LuZM15]W. Lu, Z. Zhu, and B. Mukherjee, "Data-Oriented MalleableReservation to Revitalize Spectrum Fragments in Elastic OpticalNetworks," in OpticalFiber Communication Conference,OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2015),paper W1I.6.

[JKBH10]Jinno, M., Kozicki, B., Takara, H., Watanabe, A., Sone,Y., Tanaka, T., & Hirano, A. (2010). Distance-adaptive spectrumresource allocation in spectrum-sliced elastic optical path network[topics in optical communications]. IEEE Communications Magazine,48(8), 138-145.

[KTSW10]Kozicki,B., Takara, H., Sone, Y., Watanabe, A., & Jinno, M. (2010,March). Distance-adaptive spectrum allocation in elastic optical pathnetwork (SLICE) with bit per symbol adjustment. In Optical FiberCommunication Conference (p. OMU3). Optical Society of America.

[SHKJ11]Sone,Y., Hirano, A., Kadohata, A., Jinno, M., & Ishida, O. (2011,September). Routing and spectrum assignment algorithm maximizesspectrum utilization in optical networks. In European Conferenceand Exposition on Optical Communications (pp. Mo-1). OpticalSociety of America.

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[KRLD13]Klinkowski,M., Ruiz, M., Velasco, L., Careglio, D., Lopez, V., & Comellas,J. (2013). Elastic spectrum allocation for time-varying traffic inflexgrid optical networks. IEEE journal on selected areas incommunications, 31(1), 26-38.

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[LiTM13]Liu,M., Tornatore, M., & Mukherjee, B. (2013). Survivable trafficgrooming in elastic optical networks—shared protection. Journalof lightwave technology, 31(6), 903-909.

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