一种90

一种90
°
旋转的用户带宽分配方法及电子设备
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，涉及一种带宽分配方法及系统，具体涉及一种针对在基于正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)数据中心光网络中，为用户的带宽请求提供90
°
旋转的带宽分配方法及电子设备，可以提高网络的吞吐量。


背景技术：

2.由于数据密集型业务在数据中心中的大规模应用，这些业务的数据传输需要巨大的带宽，对数据中心的带宽提出了严峻的挑战。目前，电交换技术广泛地应用于商业数据中心中，但是电交换技术的传输速率存在瓶颈，无法满足数据中心内部的巨大带宽需求。
3.为了应对数据中心的带宽需求，光交换技术可以实现巨大的传输速率，是一种理想传输技术。近些年来，工业界和学术界提出了一些数据中心光网络架构，包括c-through,fscoi,osa等，高吞吐量是这些网络架构所追求的目标。尽管fscoi和osa等采用了波分复用技术(wavelength division multiplexing，wdm)技术来提高网络容量，但是由于wdm的频谱间隔的粒度是固定不变的，导致了频谱没有被充分利用及网络容量利用效率过低的问题。
4.正交频分复用技术(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)可以解决wdm的不足，能够为用户(企业组织、云服务提供商、政府部门等)提供细粒度、按需的带宽分配。因此，在数据中心光网络的架构中，ofdm是一种十分理想的技术选择。
5.和骨干网一样，在基于ofdm的数据中心光网络中，光路是用户所分配的带宽资源，具有固定的预留带宽和可持续时间。一旦可持续时间结束，数据中心光网络就停止对该用户提供带宽。但是，为了应对流量的变化，数据中心光网络需要周期性地重构网络，即根据流量来调整网络拓扑。重构网络的周期称为重构时间，也就是光链路的生存时间，所以光链路具有频谱和时间两个资源维度。这些用户的带宽请求(具有频谱和时间两个维度)都是已知的，如何分配用户带宽才能最大化网络吞吐量，是亟需解决的问题。
6.为了解决这个问题，一些学者提出了对应的用户带宽分配方法，这类方法是一种0/1整数规划的方法，目标是最大化网络吞吐量，也就是最大化每一个重构周期的网络吞吐量。然而，该方法可以进一步地改进。数据中心光网络对用户的带宽的分配，就是分配其频谱和时间，也就是满足该用户的数据量，数据量等于时间和频谱的乘积，简称为时间频谱积。保持用户的数据量不变，改变其频谱和时间，可以使资源分配更加灵活、提高网络吞吐量。但是，由于数据量是固定的，频谱和时间都是变量，该方法是一种带有平方项的非线性方法，很难求解。


技术实现要素：

7.在基于ofdm数据光网络中，为了利用频谱和时间的灵活性，本发明提出了一种90
°
旋转的用户带宽分配方法及电子设备，即90
°
旋转的用户带宽请求，用户的频谱请求考虑在
光链路的时间维度，用户的时间请求考虑在光链路的频谱维度。
8.本发明的方法所采用的技术方案是：一种90
°
旋转的用户带宽分配方法，在用户带宽请求已知和光链路的频谱、重构时间有限的前提下，最大化网络的吞吐量；
9.定义g(v,l,t,s)为基于ofdm的数据中心光网络。v是光网络节点的集合，l是光链路的集合。光链路的资源具有时间和频谱两个维度，t是光链路的重构时间；s是光链路的频谱容量；光链路的容量，即时间频谱积为t*s。
10.定义用户请求的集合为其中d
ij
＝{d
ij
}，d
ij
＝＜t
ij
,s
ij
＞是用户的带宽请求，d
ij
是共享光链路l
ij
的请求集合。d
ij
表示从源节点vi到目的节点vj的带宽请求，这两者之间的路由就是光链路l
ij
，其带宽请求是一个矩形，需要的时隙数量和频隙数量分别为t
ij
和s
ij
，时间频谱积为t
ij
*s
ij
。
11.定义d
ij
′
＝＜t
ij
′
,s
ij
′
＞是用户带宽请求，需要的时隙数量和频隙数量分别为t
ij
′
和s
ij
′
，它是d
ij
中不同于d
ij
的用户带宽请求。
12.数据中心光网络的优化目标为最大网络吞吐量，即其中r
ij
是一个布尔变量，当r
ij
＝1表示d
ij
被服务，即d
ij
被分配时隙和频隙；否则d
ij
＝0表示d
ij
没有被服务。
13.数据中心光网络优化受到光链路重构时间约束、光链路频谱容量约束、光链路时间频谱积约束和请求不重叠约束，其中请求不重叠约束考虑请求90
°
旋转，保证请求是个矩形。
14.光链路重构时间约束为t
ij
t
ij
≤t,表示d
ij
被分配的时隙不能超过光链路的重构时间。其中，t
ij
是一个整数变量，表示d
ij
被分配时隙的开始时隙，t
ij
t
ij
表示其截止时隙。
15.光链路频谱容量约束为s
ij
s
ij
≤s,表示d
ij
被分配的频隙不能超过光链路的频谱容量。其中，s
ij
是一个整数变量，表示d
ij
被分配频隙的开始频隙，s
ij
s
ij
表示其截止频隙。
16.光链路时间频谱积约束为意味着对于许多用户请求共享光链路l
ij
时，其中一些能被分配时、频资源，这些用户请求的时间频谱积之和，必须不大于该光链路的时间频谱积。
17.用户请求不重叠约束如下，该约束考虑了请求90
°
旋转，保证了请求是个矩形：
[0018][0019][0020][0021][0022]
m＝max(t,s)是一个极大数，用来满足约束条件；c
ij,mn
是一个0/1布尔变量，当d
ij
和d
mn
共享一条光链路l
ij
时，c
ij,mn
＝1，此时d
ij
′
＝d
mn
；否则c
ij,mn
＝0。α
ij,mn
和β
ij,mn
都是0/1布尔变量，(α
ij,mn
,β
ij,mn
)代表d
ij
和d
mn
在时间和频谱维度的相对位置。z
ij
是一个0/1布尔变量，
当z
ij
＝0时表示d
ij
没有90
°
旋转；当z
ij
＝1时表示d
ij
进行了90
°
旋转。
[0023]
当c
ij,mn
≠1时，即d
ij
和d
mn
不共享同一光链路l
ij
时，公式(1)-(4)恒成立，即d
ij
和d
mn
都是矩形且不会重叠；否则，当c
ij,mn
＝1时，即d
ij
和d
mn
共享同一光链路l
ij
时，公式(1)-(4)被激活，即将c
ij,mn
＝1带入公式(1)-(4)，则规约成：
[0024][0025][0026][0027][0028]
当d
ij
和d
ij
′
中的任意一个没有被服务时(r
ij
≠1或r
ij
′
≠1)，公式(5)-(8)恒成立，即d
ij
和d
ij
′
都是矩形且不会重叠；当d
ij
和d
ij
′
都被服务时(r
ij
＝r
ij
′
＝1)，公式(5)-(8)被激活，即将r
ij
＝1和r
ij
′
＝1带入公式(5)-(8)，则规约成：
[0029][0030][0031][0032][0033]
当z
ij
＝0和z
ij
′
＝0时，d
ij
和d
ij
′
没有90
°
旋转，公式(9)-(12)被激活且规约成：
[0034][0035][0036][0037][0038]
当z
ij
＝1和z
ij
′
＝1时，d
ij
和d
ij
′
进行了90
°
旋转，公式(9)-(12)被激活且规约成：
[0039][0040][0041][0042][0043]
(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)的值有四种可能，分别为(0,0)、(0,1)、(1,0)和(1,1)，可以控制d
ij
和d
ij
′
在时间或频谱的相对位置，保证他们在时间或频谱的维度不相交。对于(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)的取值，无论d
ij
和d
ij
′
是否进行了90
°
旋转，在公式(13)-(16)中，只有一个被激活且进一步规约；在公式(17)-(20)中，只有一个被激活且进一步规约。
[0044]
在d
ij
和d
ij
′
没有进行90
°
旋转的情况下，当(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)＝(1,0)时，公式(15)被激活，规约成t
ij
t
ij-t
ij
′
≤0，保证d
ij
和d
ij
′
在时间维度不相交，即d
ij
的截止时隙不大于d
ij
′
的开始时隙，称之为请求不相交约束。该约束还保证了d
ij
占用了t
ij
个连续的时隙；进
而，由于公式(13)恒成立，保证了d
ij
占用了s
ij
个连续的频隙，所以请求d
ij
是个时、频长度为t
ij
和s
ij
的矩形。同理(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)＝(0,0)激活了公式(13)，保证了d
ij
和d
ij
′
在频谱维度不相交，且d
ij
占用了s
ij
个连续的频隙。(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)＝(0,1)激活了公式(14)，保证了d
ij
和d
ij
′
在频谱维度不相交，且d
ij
′
占用了s
ij
′
个连续的频隙。(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)＝(1,1)激活了公式(16)，保证了d
ij
和d
ij
′
在时间维度不相交，且d
ij
′
占用了t
ij
′
个连续的时隙。
[0045]
在d
ij
和d
ij
′
进行了90
°
旋转的情况下，当(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)＝(1,0)时，公式(19)被激活，规约成t
ij
s
ij-t
ij
′
≤0，保证d
ij
和d
ij
′
在时间维度不相交，也保证了d
ij
占用了s
ij
个连续的时隙；进而，由于公式(17)恒成立，保证了d
ij
占用了t
ij
个连续的频隙，所以请求d
ij
进行了90
°
旋转，是一个时、频长度为s
ij
和t
ij
的矩形。同理(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)＝(0,0)激活了公式(17)，保证了d
ij
和d
ij
′
在频谱维度不相交，且d
ij
占用了t
ij
个连续的频隙。(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)＝(0,1)激活了公式(18)，保证了d
ij
和d
ij
′
在频谱维度不相交，且d
ij
′
占用了t
ij
′
个连续的频隙。(α
ij,i
′j′
,β
ij,i
′j′
)＝(1,1)激活了公式(20)，保证了d
ij
和d
ij
′
在时间维度不相交，且d
ij
′
占用了s
ij
′
个连续的时隙。
[0046]
将该整数线性的数学模型输入到cplex、gurobi等数学优化软件中，这些软件自带的最优算法可以在满足约束条件的前提下，得到最优解，即最大化网络吞吐量。
[0047]
本发明还提供了一种电子设备，包括：
[0048]
一个或多个处理器；
[0049]
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现90
°
旋转的用户带宽分配方法。
[0050]
将该整数线性的数学模型输入到cplex、gurobi等数学优化软件中，这些软件自带的最优算法可以在满足约束条件的前提下，得到最优解，即最大化网络吞吐量。
[0051]
本发明考虑了光链路的频谱容量约束和光链路的重构时间约束，考虑了光链路的时间频谱积约束，考虑了用户带宽请求不重叠约束，该约束考虑了90
°
旋转，且保证带宽请求是个矩形，在用户的数据量不变的前提下，通过90
°
旋转来改变其对频谱和时间的需求，可以使资源分配更加灵活，提高网络吞吐量，也可以提高终端用户服务体检及云服务提供商的经济收益。
附图说明
[0052]
图1为本发明实施例的90
°
旋转的带宽分配方法示意图。
具体实施方式
[0053]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0054]
请见图1，本发明提供的一种90
°
旋转的用户带宽分配方法，在用户带宽请求已知和光链路的频谱、重构时间有限的前提下，最大化网络的吞吐量；
[0055]
本实施例中，光网络由网元节点a、b和光链路l
ab
组成。光链路l
ab
的重构时间为4个时隙，频谱容量为4个频隙，光链路的时间频谱积为4*4＝16。
[0056]
本实施例中，有四个用户的带宽请求，表示该用户需要2个时隙和4个
频隙，资源分配的源节点为a，目的节点为b；其它3个用户的带宽请求分别为和
[0057]
本实施例中，在gurobi优化软件上输入该数学模型，优化目标为最大化网络吞吐量，约束条件为光链路的频谱容量约束、光链路的重构时间约束；用户的带宽请求不重叠约束，该约束保证了带宽请求是个矩形、考虑了90
°
旋转，该优化软件内置的优化算法可以解决该问题并得到最优解。最优解为和被服务了(被分配了时间、频谱资源)，这些请求都是矩形且不重叠；由于光链路的容量限制，没有被分配资源，网络吞吐量为和的时间频谱积之和，即2*4 3*2 1*2＝16，接下来是具体的结果。
[0058]
本实施例中，和都共享了光链路l
ab
，所以c
ab,a
′b′
都等于1。
[0059]
本实施例中，不需要90
°
旋转就可以被服务，即z
ab
＝0、r
ab
＝1，被分配的时隙数为2，其开始时隙t
ab
＝0，即为第0号时隙，截止时隙为第2号时隙；被分配的频隙数为4，开始频隙s
ab
＝0，即为第0号频隙，截止频隙为第4号频隙。
[0060]
本实施例中，需要90
°
旋转才能被服务，即z
ab
＝1、r
ab
＝1，被分配的时隙数为2，其开始时隙t
ab
＝2，即为第2号时隙，截止时隙为第4号时隙；被分配的频隙数为3，开始频隙s
ab
＝0，即为第0号频隙，截止频隙为第3号频隙。
[0061]
本实施例中，没有被服务，即r
ab
＝0。
[0062]
本实施例中，需要90
°
旋转才能被服务，即z
ab
＝1、r
ab
＝1，被分配的时隙数为2，其开始时隙t
ab
＝2，即为第2号时隙，截止时隙为第4号时隙；被分配的频隙数为1，开始频隙为s
ab
＝3，即为第3号频隙，截止频隙为第4号频隙。
[0063]
本实施例中，假设和则d
ab
不需要90
°
旋转，(α
ab,a
′b′
,β
ab,a
′b′
)＝(1,0)能激活公式(15)且规约成t
ab
t
ab-t
ab
′
≤0，由于t
ab
＝0，t
ab
′
＝2，t
ab
＝2，该公式成立且保证了d
ab
占用的时隙数为t
ab
＝2。
[0064]
本实施例中，假设和则d
ab
不需要90
°
旋转，(α
ab,a
′b′
,β
ab,a
′b′
)＝(1,0)能激活公式(15)且规约成t
ab
t
ab-t
ab
′
≤0，由于t
ab
＝0，t
ab
′
＝2，t
ab
＝2，该公式成立且保证了d
ab
占用的时隙数为t
ab
＝2。
[0065]
本实施例中，假设和则d
ab
需要90
°
旋转，(α
ab,a
′b′
,β
ab,a
′b′
)＝(1,0)能激活公式(19)且规约成s
ab
t
ab-s
ab
′
≤0，由于s
ab
＝0，s
ab
′
＝3，t
ab
＝3，该公式成立且保证了d
ab
占用的频隙数为t
ab
＝3。
[0066]
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。