本发明涉及一种基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统，为提高频谱灵活光网络的频谱资源利用率和降低网络发生故障风险而设计。对频谱灵活光网络进行初始化；产生一组业务请求，包括业务请求的源节点、目的节点、带宽需求、最大可容忍故障概率阈值；基于联合故障概率约束的多目标联合优化函数，满足多目标联合优化函数的业务请求的带宽流量守恒、频谱连续性、频谱隙唯一占用、工作路径与专用保护路径链路不相交、工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径、专用保护的联合故障概率满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件，获得频谱资源占用与联合故障概率最优化解，使网络资源优化与联合故障概率达到均衡。
基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方
法和系统
技术领域
[0001] 本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统。
背景技术
[0002] 为了更好地满足业务请求的带宽资源，传统波分复用(WDM)光网络并没有根据业务请求的带宽属性分配网络资源，极容易造成光网络的资源浪费。通过引入频谱灵活光网络，有利于业务请求分配网络的频谱资源，提高频谱灵活光网络的资源效率。然而，对于高等级的业务请求，需要提供高可靠的传输路径。可见，在频谱灵活光网络中，为了保证业务请求的服务质量，光网络生存性将成为一个关键问题，而采用专用保护是解决这一问题的有效手段。
[0003] 为了成功建立业务请求，需要在频谱灵活光网络上建立工作路径和链路不相交的专用保护路径，并在所选择的工作路径和专用保护路径上查找频谱资源，满足频谱连续性与频谱一致性约束条件，然后分配频谱资源。一方面，业务请求通常采用最短路径算法(Dijkstra algorithm)计算工作路径，并在频谱灵活光网络中删除工作路径上的所有链路，然后计算一条链路不相交的专用保护路径；另一方面，在所选择的工作路径和链路不相交的专用保护路径上，查找业务请求的频谱资源，若找到满足业务请求的带宽需求大小，然后在所选择的工作路径和专用保护路径上分配相应的频谱资源。目前，在频谱灵活光网络中，考虑业务请求的生存性，主要采用以下两种方法进行路由与频谱资源分配。
[0004] 1)采用传统专用保护方法。对于每一个业务请求，通常采用最短路径算法计算一条工作路径，然后在频谱灵活光网络中删除工作路径上所有光纤链路，再次采用最短路径算法计算一条专用保护路径。如果工作路径和专用保护路径都建立成功，在这两条路径上，根据业务请求的带宽需求大小进行频谱资源查找，如果找到可用的频谱资源，则为业务请求预留频谱资源。在频谱资源查找过程中，频谱资源必须满足频谱连续性和频谱一致性的约束条件，以保证业务请求在所选择的工作路径和专用保护路径上传输。这种方法相对比较简单，但是并没有对业务请求进行频谱资源优化，无法有效提高频谱灵活光网络的资源效率。
[0005] 2)采用带宽压缩保护方法。在路由计算过程中，这种方法与采用传统专用保护方法一样，首先建立工作路径，然后建立链路不相交的专用保护路径。如果工作路径与专用保护路径都建立成功，需要在工作路径和专用保护路径上查找并预留满足业务请求的带宽需求的频谱资源。特别地，在工作路径上，根据业务带宽需求的大小进行频谱资源查找，同时满足频谱连续性和频谱一致性约束条件，所分配的频谱资源与业务请求的带宽需求大小相等；然而，在专用保护路径上，如果没有足够的频谱资源为业务请求预留网络资源，可以通过利用不同的线速率和调制格式的方式来承载业务请求的带宽需求。在这种情况下，尽最大可能地调节业务请求传输的线速率和调制格式，通过压缩带宽资源的方式查找满足业务请求的频谱资源，然后在专用保护路径上预留相应的频谱资源。这种方法的缺点在于在专用保护路径上采用最大可能地建立工作路径和分配相应的频谱资源，但是在专用保护路径上传输质量和资源效率难以达到优化。
[0006] 可见，虽然上述两种方面解决了业务请求的路由与频谱分配问题，但并没有对业务请求所建立的传输的工作路径和专用保护路径进行故障概率的评估，也没有使业务请求在路由与频谱资源分配过程中使频谱资源达到最优化的。
[0007] 鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统，降低了故障发生的概率，提高了系统的安全性，使业务请求达到频谱资源与联合故障概率最优化，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
[0008] 为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种采用专用保护的方式建立连接请求，并且工作路径与专用保护路径的联合故障概率必须满足业务请求的最大可容忍故障概率阈值要求，在保证频谱灵活光网络生存性、频谱资源占用最少、联合故障概率最低的前提下，使全网路由与频谱分配达到最优化，实现基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统。
[0009] 本发明基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，包括：在频谱灵活光网络中，产生一组业务请求；
[0010] 建立业务请求的工作路径和专用保护路径，所述的工作路径和专用保护路径的联合故障概率必须小于或等于业务请求的最大可容忍故障概率，其中，工作路径的故障事件和专用保护路径的故障事件分别是独立的事件，工作路径的故障概率和专用保护路径的故障概率相乘即为所述的联合故障概率；
[0011] 设置两个优化目标，并通过调节两个优化目标的权重分出主要优化目标和次要优化目标，两个优化目标分别为在工作路径和专用保护路径上的频谱占用数目最小化、在工作路径和专用保护路径上的联合故障概率最小化，根据设定的优化目标，确定多目标联合优化目标函数，基于多目标联合优化函数需要满足的约束条件，获得频谱资源占用与联合故障概率最优化解，完成基于故障概率约束的最优化路由与频谱分配，使网络资源优化与联合故障概率达到均衡；
[0012] 其中，所述多目标联合优化函数需要满足的约束条件包括：流量守恒约束条件、频谱隙唯一占用条件、频谱连续性约束条件、工作路径与专用保护链路不相交约束条件、工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径约束条件、工作路径和专用保护路径的联合故障概率满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件。
[0013] 进一步地，在产生业务请求前还包括对频谱灵活光网络进行初始化，具体包括：设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目。
[0014] 进一步地，业务请求的工作路径和专用保护路径的建立具体包括：
[0015] 工作路径w和专用保护路径b的故障事件是独立的事件，工作路径和专用保护路径发生的故障概率称为专用保护的联合故障概率，它们的故障概率是相乘的形式，工作路径w和专用保护路径b的联合故障概率表示为：
[0016] F(w,b)＝F(w)×F(b)， (1)
[0017] 其中，F(w)、F(b)、F(w,b)分别表示工作路径w的故障概率、专用保护路径b的故障概率、工作路径和专用保护路径的联合故障概率；工作路径的故障概率用公式(2)表示：
[0018] F(w)＝1-∏(k，l)∈w(1-pk，l)， (2)
[0019] 其中，节点对(k,l)∈w，k≠l，表示在工作路径w的光纤链路(k,l)，pk，l表示光纤链路(k,l)的故障概率；同样，专用保护路径上的故障概率用公式(3)表示：
[0020] F(b)＝1-Π(m，n)∈b(1-pm，n)， (3)
[0021] 其中，节点对(m,n)∈b，m≠n表示在专用保护路径b的光纤链路(m,n)，pm，n表示光纤链路(m,n)的故障概率；把公式(2)和(3)代入公式(1)中，得到工作路径与专用保护路径的，用公式(4)表示：
[0022] F(w，b)＝[1-Π(k，l)∈w(1-pk，l)]×[1-Π(m，n)∈b(1-pm，n)]， (4)[0023] 进一步对公式(4)展开，得到公式(5)：
[0024] F(w，b)＝Σ(k，l)∈wΣ(m，n)∈bpk，l×pm，n+O(h)， (5)
[0025] 其中，O(h)表示高次项，它包括3阶项和3阶以上的高阶项的故障概率；若考虑链路-3 -9故障概率在(0，10 )的范围内，这里3阶项的联合故障概率大约等于10 ；对于工作路径与专用保护路径的联合故障概率，忽略3次项以上的故障概率，即忽略高阶项O(h)；因此，在低链路故障概率下，采用近似方法，得到工作路径和专用保护路径的联合故障概率，它用公式(6)表示：
[0026] F(w，b)＝∑(k，l)∈w∑(m，n)∈bpk，l×pm，n； (6)
[0027] 对于每一个业务请求，如果这个业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率都小于或等于它的最大可容忍故障概率阈值MP，那么这两条路径能够建立成功，否则建立失败；所以一个业务请求的故障概率约束条件用公式(7)表示：
[0028] F(w，b)≤MP， (7)
[0029] 把公式(6)代入公式(7)，得到一个业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率约束条件，即必须满足业务的最大可容忍故障概率阈值，这个约束条件用公式(8)表示：
[0030] ∑(k，l)∈wΣ(m，n)∈bpk，l×pm，n≤MP； (8)
[0031] 进一步地，所述的多目标联合优化函数具体为：用以下式子(9)表示：
[0032]
[0033]
[0034] 其中，TD表示一组业务请求；每一个业务请求用TD(s,d,FSs,d,MPs,d)表示，这里s和d分别表示业务请求的源节点和目的节点，FSs,d代表业务请求的带宽需求，MPs,d表示业务请求的最大可容忍故障概率阈值；在这个优化函数中，用(s,d)表示业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)；E表示频谱灵活光网络所有光纤链路；F表示每一条光纤链路的所有频谱隙；
[0035] 参数α∈(0，1)表示调节主要优化目标和次要优化目标的权重；
[0036] 和 表示二进制变量，Minimize表示最小化频谱隙占用和最小化工作路径和保护路径的联合故障概率的操作；
[0037] 一方面，在工作路径上，当从源节点s到目的节点d之间的业务请求在光纤链路(k,l)上占用编号为f的频谱隙时， 否则 另一方面，在专用保护路径上，当从源节点s到目的节点d之间的业务请求在光纤链路(k,l)上占用编号为f的频谱隙时，否则
[0038] pk，l表示在工作路径上光纤链路(k,l)的故障概率；pm，n表示在专用保护路径上光纤链路(m,n)的故障概率； 表示二进制变量，当工作路径上的光纤链路(k,l)和专用保护路径上的光纤链路(m,n)被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用时， 否则
[0039] 所述目标联合优化函数需要满足的约束条件具体包括：
[0040] 1)业务请求的带宽流量守恒约束条件：在工作路径和专用保护路径上，对于每一个从源节点s到目的节点d之间的业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，源节点流出的流量等于业务请求的带宽需求FSs,d，用式子(10)表示；由于业务请求在路径中间节点的带宽流量具备流入与流出属性，并且流入的流量等于流出的流量，用式子(11)表示；在目的节点中，由于业务请求只有带宽流量流入，所以目的节点的流量等于业务请求的带宽需求FSs,d，用式子(12)表示；在工作路径上的流量守恒约束条件分别用式子(10)到(12)表示：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 其中，Zl＝V，它表示频谱灵活光网络所有的交换节点，并且满足Zl≠s和Zl≠d，它表示业务请求的带宽流量流过某条路径的中间节点；同样，在专用保护路径上，每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)的带宽流量守恒约束条件可以用式子(13)到(15)表示：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 2)频谱连续性约束条件：在工作路径和专用保护路径上，每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)选择的频谱隙必须满足频谱连续性约束条件；
[0049] 在工作路径上，当 和 时，编号大于或等于f+2的频谱隙没有被任何其它业务请求占用，即用(16)式表示；当 编号小于f的频谱隙已被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)占用，用(17)式表示；同样，在专用保护路径上，二进制变量 与工作路径的二进制变量 特点一样；当 和 时，编号大于或等于f+
2的频谱隙没有被任何业务请求占用，即用(18)式表示；当 编号小于f的频谱隙已经被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)占用，用(19)式表示；
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054] 其中，Θ表示一个大于|F|×(|V|-1)的整数值，其中|V|-1表示在频谱灵活光网络中所有节点对之间路径的最大跳数；
[0055] 3)频谱隙唯一占用约束条件：一个频谱隙只能被一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)在工作路径或是专用保护路径上占用，不能被两个或两个以上的业务请求同时占用，它的描述如下：
[0056]
[0057] 4)工作路径与专用保护路径链路不相交约束条件：对于每一个从源节点s 到目的节点d的业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，一条链路只能被工作路径或专用保护路径使用，这个约束条件用公式(21)描述：
[0058]
[0059] 5)工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径约束条件：对于每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，建立工作路径占用的频谱资源必须小于或等专用保护路径上占用的频谱资源，它用以下式子表示：
[0060]
[0061] 6)专用保护的联合故障概率满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件：对于从每一个从源节点s到目的节点d的业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，所选择的专用保护的联合故障概率必须满足最大可容忍故障概率阈值，它用公式(23)到(30)表示。
[0062]
[0063]
[0064]
[0065]
[0066]
[0067]
[0068]
[0069]
[0070] 其中，MPs，d表示从源节点s到目的节点d的业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)的最大可容忍故障概率阈值； 表示二进制变量，当工作路径上的光纤链路(k,l)被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用时， 否则 表示二进制变量，当专用保护路径上的光纤链路(m,n)被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用时， 否则，
[0071] 公式(23)表示当工作路径上的光纤链路(k,l)和专用保护路径上的光纤链路(m,n)被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)同时使用时，计算专用保护的联合故障概率；若光纤链路没有被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用时，无需计算光纤链路的故障概率；
[0072] 公式(24)到(26)保证了工作路径上的光纤链路(k,l)和专用保护路径上的光纤链路(m,n)同时被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用，即 和 或者光纤链路(k,l)和(m,n)没有被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用，即 和
[0073] 公式(27)和(28)判断在工作路径上的光纤链路(k,l)是否被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用，若被使用，则 否则，
[0074] 公式(29)和(30)判断在专用保护路径上的光纤链路(m,n)是否被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用，若被使用，则 否则，
[0075] 进一步地，还包括对频谱灵活光网络参数初始化、业务请求产生、工作路径与专用保护路径的联合故障概率计算、多目标联合优化函数、多目标联合优化函数的约束条件进行实时有效监控，以实现业务请求在频谱灵活光网络中最优化的路由与频谱资源分配的目标。
[0076] 进一步地，还包括根据多目标联合优化函数获得的最优解，对所得结果进行评估分析，确保给定已知一组业务请求的频谱资源占用和联合故障概率达到最小化。
[0077] 本发明基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配系统，包括：业务请求产生模块，用于在频谱灵活光网络G(V,E,F)中，产生一组业务请求集合TD，所述业务请求包括源节点、目的节点、带宽需求、设置业务请求的最大可容忍故障概率阈值；其中，每一个业务请求用TD(s,d,FSs,d,MPs,d)∈TD表示，并且s≠d；对于频谱灵活光网络G(V,E,F)，V、E、F分别表示频谱灵活光网络的所有光交换节点、所有光纤链路、每条光纤链路的所有频谱隙，即F＝{f1,f2,f3,…,f|F|}；|V|、|E|、|F|分别表示频谱灵活光网络的光交换节点数目、光纤链路数目、频谱隙数目；对于每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，s和d分别表示业务请求的源节点和目的节点，FSs,d代表业务请求的带宽需求，MPs,d表示业务请求的最大可容忍故障概率阈值。
[0078] 联合故障概率计算模块，用于计算联合联合故障概率以及根据联合故障概率小于或等于业务请求的最大可容忍故障概率阈值的原则计算工作路径w和专用保护路径b，其中，工作路径w和专用保护路径b的故障事件是独立的事件，工作路径w和专用保护路径b的联合故障概率表示为：F(w,b)＝F(w)×F(b)；一个业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率约束条件，即必须满足业务请求的最大可容忍故障概率阈值，这个约束条件可用公式工作路径w和专用保护路径b的联合故障概率，公式表示为F(w，b)≤MP；
[0079] 多目标联合优化函数模块，用于已知一组业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)和频谱灵活光网络的配置信息，设置以频谱灵活光网络的频谱资源最小化占用以及业务请求所选择的工作路径以及专用保护路径的联合故障概率最小化为联合目标的多目标联合优化函数，其中频谱灵活光网络的频谱资源最小化占用和业务请求所选择的工作路径以及专用保护路径的联合故障概率最小化两个目标的主、次通过优化权重设定；
[0080] 多目标联合优化函数约束条件管理模块，包括了6个不同的子模块：
[0081] (1)业务请求的带宽流量守恒约束子模块，用于业务请求从源节点到目的节点的带宽流量相等原则，即源节点流出流量与目的节点流入流量的绝对值大小相等，由于流量经过中间节点存在流入与流出大小一样，所以中间节点流量之差为0；
[0082] (2)频谱连续性约束子模块，这是频谱资源分配过程中最基本的约束条件，即频谱隙选择必须满足连续的编号要求；
[0083] (3)频谱隙唯一占用约束子模块，在每一条光纤链路中，每一个频谱隙只能够被一个业务请求所占用，其它业务请求不能占用；
[0084] (4)工作路径与专用保护路径链路不相交约束子模块，为了提高业务请求的服务质量，防止因为频谱灵活光网络发生链路故障，采用工作路径与专用保护路径链路不相交的方式建立路由，以满足业务请求的生存性要求；
[0085] (5)工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径约束子模块，它表示在两条所选择的两条路径中，频谱资源占用较少的路径优先作为工作路径，另一条占用较多频谱资源的路径作为专用保护路径；
[0086] (6)业务最大可容忍故障概率阈值约束子模块，主要用于在专用保护的路由计算过程中，工作路径与专用保护路径的联合故障概率必须满足业务请求的最大可容忍故障概率阈值要求，即业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率都小于或等于它的最大可容忍故障概率。
[0087] 进一步地，还包括网络初始为模块，用于设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目。
[0088] 进一步地，还包括网络状态监控模块，用于对频谱灵活光网络参数初始化、业务请求产生、工作路径与专用保护路径的联合故障概率计算、多目标联合优化函数、多目标联合优化函数的约束条件进行实时有效监控。
[0089] 进一步地，最优化目标评估模块，用于根据多目标联合优化函数获得的最优解，对所得结果进行评估分析，确保给定已知一组业务请求的频谱资源占用和联合故障概率达到最小化。
[0090] 借由上述方案，本发明基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法和系统至少具有以下优点：
[0091] 对业务请求建立了工作路径与链路不相交的专用保护路径，并对它们的联合故障概率进行评估，满足业务请求的最大可容忍故障概率阈值，以减少业务请求在传输过程中存在的风险，保证业务请求在传输过程的服务质量。在所选择的工作路径和链路不相交的专用保护路径上，基于业务请求的带宽需求，分配业务请求的频谱资源，解决业务请求的路由与频谱分配问题。以频谱资源占用和联合故障概率是小化为多目标优化函数，满足业务请求的带宽流量守恒、频谱连续性、频谱隙唯一占用、工作路径与专用保护路径链路不相交、工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径、工作路径与专用保护路径的联合联合故障概率小于或等于最大可容忍故障概率阈值的约束条件，以获得一组已知业务请求的频谱资源占用和联合故障概率最优化解，解决基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配问题，从而提高了频谱灵活光网络的资源效率，减少业务请求传输的故障概率。
[0092] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
[0093] 图1是本发明基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法的流程图；
[0094] 图2是本发明基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配系统的框图；
[0095] 图3是本发明基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，具体实例中频谱灵活光网络的光纤链路的故障概率数值大小；
[0096] 图4是本发明基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，具体实例中两个业务请求TD1(0,3,2,7×E-6)和TD2(4,1,2,5×E-6)的路由与频谱分配方法的最优解。
具体实施方式
[0097] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0098] 本发明结合业务请求在计算传输路径时，对所选择的工作路径和专用保护路径进行故障概率的全面评估，然后选择满足业务请求的最大可容忍故障概率阈值的工作路径和专用保护路径。同时，本发明通过设置可变参数的大小进行主要目标和次要目标的全局优化，使全网的业务请求的路由与频谱资源达到最优化。
[0099] 实施例1
[0100] 如图1所示，本实施例基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法，包括：
[0101] 对频谱灵活光网络进行初始化，具体包括：设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目。
[0102] 在频谱灵活光网络中G(V,E,F)，产生一组业务请求集合TD，其中，每一个业务请求用TD(s,d,FSs,d,MPs,d)∈TD表示，并且s≠d。对于频谱灵活光网络G(V,E,F)，V、E、F分别表示频谱灵活光网络的所有光交换节点、所有光纤链路、每条光纤链路的所有频谱隙，即F＝{f1,f2,f3,…,f|F|}；|V|、|E|、|F|分别表示频谱灵活光网络的光交换节点数目、光纤链路数目、频谱隙数目；对于每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，s和d分别表示业务请求的源节点和目的节点，FSs,d代表业务请求的带宽需求，可以用需求多少个频谱隙表示，MPs,d表示业务请求的最大可容忍故障概率阈值。
[0103] 在专用保护的路由计算过程中，业务请求必须满足其最大可容忍故障概率阈值，即业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率都小于或等于它的最大可容忍故障概率。每一个业务请求需要建立两条链路不相交的路径，即工作路径w和专用保护路径b，这两条路径的故障概率必须满足业务请求的最大可容忍故障概率阈值；否则，这两条路径建立失败。假设工作路径w和专用保护路径b的故障事件是独立的事件，工作路径和专用保护路径发生的故障概率称为专用保护的联合故障概率，它们的故障概率是相乘的形式。因此，工作路径w和专用保护路径b的联合故障概率可以表示为：
[0104] F(w,b)＝F(w)×F(b)， (1)
[0105] 其中，F(w)、F(b)、F(w,b)分别表示工作路径w的故障概率、专用保护路径b的故障概率、工作路径与专用保护路径的联合故障概率。因为工作路径的故障概率可以公式(2)表示：
[0106] F(w)＝1-∏(k，l)∈w(1-pk，l)， (2)
[0107] 其中，节点对(k,l)∈w，k≠l，表示在工作路径w的光纤链路(k,l)，pk，l表示光纤链路(k,l)的故障概率。同样，专用保护路径上的故障概率可以用公式(3)表示：
[0108] F(b)＝1-∏(m，n)∈b(1-pm，n)， (3)
[0109] 其中，节点对(m,n)∈b，m≠n表示在专用保护路径b的光纤链路(m,n)，pm，n表示光纤链路(m,n)的故障概率。把公式(2)和(3)代入公式(1)中，可以得到工作路径与专用保护路径的联合故障概率，它可以用公式(4)表示：
[0110] F(w，b)＝[1-П(k，l)∈w(1-pk，l)]×[1-П(m，n)∈b(1-pm，n)]； (4)[0111] 进一步对公式(4)展开，可以得到公式(5)：
[0112] F(w，b)＝∑(k，l)∈w∑(m，n)∈bpk，l×pm，n+O(h)， (5)
[0113] 其中，O(h)表示高次项，它包括3阶项和3阶以上的高阶项的故障概率。若考虑链路故障概率在(0，10-3)的范围内，这里3阶项的联合故障概率大约等于10-9。可见，对于工作路径与专用保护路径的联合故障概率，可以忽略3次项以上的故障概率，即忽略高阶项O(h)。因此，在低链路故障概率下，采用近似方法，可以得到工作路径和专用保护路径的联合故障概率，它可以用公式(6)表示：
[0114] F(w，b)＝∑(k，l)∈w∑(m，n)∈bpk，l×pm，n， (6)
[0115] 对于每一个业务请求TD，如果这个业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率都小于或等于它的最大可容忍故障概率阈值MP，那么这两条路径能够建立成功，否则建立失败。所以一个业务请求的故障概率约束条件用公式(7)表示：
[0116] F(w，b)≤MP， (7)
[0117] 这里可以把公式(6)代入公式(7)，可以得到一个业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率约束条件，即必须满足业务的最大可容忍故障概率阈值，这个约束条件可用公式(8)表示：
[0118] ∑(k，l)∈w∑(m，n)∈bpk，l×pm，n≤MP； (8)
[0119] 设置多目标联合优化函数频谱资源占用数目与联合故障概率最小化，它由主要优化目标和次要优化目标组成，并且可通过调节参数α的大小实现不同的优化目标权重。多目标联合联合最优化目标函数可以描述为：给定一组业务请求TD，使其在频谱灵活光网络G(V,E,F)的所有光纤链路E中占用频谱隙F的数目和选择工作路径和专用保护路径的联合故障概率最小化，它可以用以下式子(9)表示：
[0120]
[0121] 这里，主要优化目标是使在工作路径和专用保护路径上的频谱隙占用数目最小化，即式(9)第一部分；次要优化目标是使在工作路径和专用保护路径上的联合故障概率最小化，即式(9)第二部分。其中，参数α∈(0，1)表示调节主要优化目标和次要优化目标的权重， 和 表示二进制变量，Minimize表示最小化的频谱隙占用操作。一方面，在工作路径上，当从源节点s到目的节点d之间的业务请求在光纤链路(k,l)上占用编号为f的频谱隙时， 否则 另一方面，在专用保护路径上，当从源节点s到目的节点d之间的业务请求在光纤链路(k,l)上占用编号为f的频谱隙时， 否则
pk，l表示在工作路径上光纤链路(k,l)的故障概率；pm，n表示在专用保护路径上光纤链路(m,n)的故障概率； 表示二进制变量，当工作路径上的光纤链路(k,l)和专用保护路径上的光纤链路(m,n)被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用时， 否则
[0122] 多目标联合优化函数必须满足以下约束条件，具体包括：
[0123] 1)业务请求的带宽流量守恒约束条件。在工作路径和专用保护路径上，对于每一个从源节点s到目的节点d之间的业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，源节点流出的流量等于业务请求的带宽需求FSs,d，用式子(10)表示；由于业务请求在路径中间节点的带宽流量具备流入与流出属性，并且流入的流量等于流出的流量，用式子(11)表示；在目的节点中，由于业务请求只有带宽流量流入，所以目的节点的流量等于业务请求的带宽需求FSs,d，用式子(12)表示。可见，在工作路径上的流量守恒约束条件分别用式子(10)到(12)表示：
[0124]
[0125]
[0126]
[0127] 其中，Zl＝V，它表示频谱灵活光网络所有的交换节点，并且满足Zl≠s和Zl≠d，它表示业务请求的带宽流量流过某条路径的中间节点。同样，在专用保护路径上，可以得到每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)的带宽流量守恒约束条件，它用式子(13)到(15)表示：
[0128]
[0129]
[0130]
[0131] 2)频谱连续性约束条件。在工作路径和专用保护路径上，每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)选择的频谱隙必须满足频谱连续性约束条件。在工作路径上，当 和时，编号大于或等于f+2的频谱隙没有被任何其它业务请求占用，即用(16)式表示。当 编号小于f的频谱隙已被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)占用，用(17)式表示。同样，在专用保护路径上，二进制变量 与工作路径的二进制变量 特点一样。当 和 时，编号大于或等于f+2的频谱隙没有被任何业务请求占用，即
用(18)式表示。当 编号小于f的频谱隙已经被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)占用，用(19)式表示。
[0132]
[0133]
[0134]
[0135]
[0136] 其中，Θ表示一个大于|F|×(|V|-1)的整数值，其中|V|-1表示在频谱灵活光网络中所有节点对之间路径的最大跳数。
[0137] 3)频谱隙唯一占用约束条件。一个频谱隙只能被一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)在工作路径或是专用保护路径上占用，不能被两个或两个以上的业务请求同时占用，它的描述如下：
[0138]
[0139] 4)工作路径与专用保护路径链路不相交约束条件：对于每一个从源节点s到目的节点d的业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，一条链路只能被工作路径或专用保护路径使用，这个约束条件可以用公式(21)描述：
[0140]
[0141] 5)工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径约束条件：对于每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，建立工作路径占用的频谱资源必须小于或等专用保护路径上占用的频谱资源，它可以用以下式子表示：
[0142]
[0143] 6)专用保护的联合故障概率满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件：对于从每一个从源节点s到目的节点d的业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，所选择的工作路径和专用保护路径的联合故障概率必须满足最大可容忍故障概率阈值，它可以用公式(23)到(30)表示。
[0144]
[0145]
[0146]
[0147]
[0148]
[0149]
[0150]
[0151]
[0152] 其中，MPs，d表示从源节点s到目的节点d的业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)的最大可容忍故障概率阈值； 表示二进制变量，当工作路径上的光纤链路(k,l)被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用时， 否则 表示二进制变量，当专用保护路径上的光纤链路(m,n)被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用时， 否则，
[0153] 这里，公式(23)表示当工作路径上的光纤链路(k,l)和专用保护路径上的光纤链路(m,n)被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)同时使用时，计算专用保护的联合故障概率；若光纤链路没有被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用时，无需计算光纤链路的故障概率。公式(24)到(26)保证了工作路径上的光纤链路(k,l)和专用保护路径上的光纤链路(m,n)同时被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用，即 和 或者光纤链路(k,l)和(m,n)没有被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用，即 和 公式(27)和(28)判断在
工作路径上的光纤链路(k,l)是否被业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用，若被使用，则否则， 公式(29)和(30)判断在专用保护路径上的光纤链路(m,n)是否被
业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)使用，若被使用，则 否则，
[0154] 实施例2
[0155] 如图2所示，本实施例基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配系统，包括：
[0156] 网络初始为模块，设置频谱灵活光网络的拓扑信息、光网络连接状态、网络交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目。
[0157] 业务请求产生模块，产生一组业务请求，包括源节点、目的节点、带宽需求、设置业务请求的最大可容忍故障概率阈值。其中，每一个业务请求用TD(s,d,FSs,d,MPs,d)∈TD表示，并且s≠d；对于频谱灵活光网络G(V,E,F)，V、E、F分别表示频谱灵活光网络的所有光交换节点、所有光纤链路、每条光纤链路的所有频谱隙，即F＝{f1,f2,f3,…,f|F|}；|V|、|E|、|F|分别表示频谱灵活光网络的光交换节点数目、光纤链路数目、频谱隙数目；对于每一个业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)，s和d分别表示业务请求的源节点和目的节点，FSs,d代表业务请求的带宽需求，MPs,d表示业务请求的最大可容忍故障概率阈值。
[0158] 联合故障概率计算模块，主要给出专用保护的联合故障概率的计算公式和计算过程，以及建立专用保护的联合故障概率与业务请求的最大可容忍故障概率阈值之间的约束关系。也即用于已知一组业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)和频谱灵活光网络G(V,E,F)的配置信息，设置以频谱灵活光网络的频谱资源最小化占用以及业务请求所选择的工作路径以及专用保护路径的联合故障概率最小化为联合目标的多目标联合优化函数，其中频谱灵活光网络的频谱资源最小化占用和业务请求所选择的工作路径以及专用保护路径的联合故障概率最小化两个目标的主、次通过优化权重设定；
[0159] 多目标联合优化函数模块，根据解决问题需要，已知一组业务请求TD(s,d,FSs,d,MPs,d)和频谱灵活光网络G(V,E,F)的配置信息，设置频谱灵活光网络的频谱资源最小化占用为主要优化目标，同时保证业务请求所选择的工作路径和专用保护路径的联合故障概率最小化。
[0160] 目标函数约束条件管理模块，这个模块包括了6个不同的子模块：
[0161] (1)业务请求的带宽流量守恒约束子模块，主要用于业务请求从源节点到目的节点的带宽流量相等原则，即源节点流出流量与目的节点流入流量的绝对值大小相等，由于流量经过中间节点存在流入与流出大小一样，所以中间节点流量之差为0；
[0162] (2)频谱连续性约束子模块，这是频谱资源分配过程中最基本的约束条件，即频谱隙选择必须满足连续的编号要求，不能够出现间隔的情况；
[0163] (3)频谱隙唯一占用约束子模块，在每一条光纤链路中，每一个频谱隙只能够被一个业务请求所占用，其它业务请求不能占用；
[0164] (4)工作路径与专用保护路径链路不相交约束子模块，为了提高业务请求的服务质量，防止因为频谱灵活光网络发生链路故障，采用工作路径与专用保护路径链路不相交的方式建立路由，以满足业务请求的生存性要求；
[0165] (5)工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径约束子模块，它表示在两条所选择的两条路径中，频谱资源占用较少的路径优先作为工作路径，另一条占用较多频谱资源的路径作为专用保护路径；
[0166] (6)业务最大可容忍故障概率阈值约束子模块，主要用于在专用保护的路由计算过程中，工作路径与专用保护路径的联合故障概率必须满足业务请求的最大可容忍故障概率阈值要求，即业务请求的工作路径和专用保护路径的联合故障概率都小于或等于它的最大可容忍故障概率。
[0167] 网络状态监控模块，主要完成对频谱灵活光网络参数初始化、业务请求产生、工作路径与专用保护路径的联合故障概率计算、多目标联合优化函数、多目标联合优化函数的约束条件进行实时有效监控，以实现业务请求在频谱灵活光网络中最优化的路由与频谱资源分配的目标。
[0168] 目标函数优化解存储模块，根据设定的最优化目标函数，已知不同业务请求数目，运行频谱资源最优化目标函数，满足目标函数包含的约束条件，获得目标函数的优化解，并存储记录优化解。
[0169] 最优化目标评估模块，根据目标函数获得的最优解，对所得结果进行评估分析，确保给定已知一组业务请求的频谱资源占用达到最小化，完成基于联合故障概率约束的专用保护路由与频谱分配。
[0170] 在上述系统描述中，通过不同模块之间的相互协作，完成基于联合故障概率约束的专用保护最优化路由与频谱分配的目标，除了上述模块，本发明装置还需要包括不同模块之间的判决和预警模块，执行各个模块之间的协调功能，以保证频谱灵活光网络初始化、业务请求生产、联合故障概率计算、目标函数优化、约束条件管理、网络状态的监控、目标函数优化解存储模块、最优化目标评估等模块的执行。
[0171] 本发明具体实例如下：
[0172] 第一，图3表示频谱灵活光网络，每条光纤链路是双向，光纤链路上的数值表示故障概率，设置每条光纤链路的频谱带宽为125GHz，若每个频谱隙为12.5GHz，光纤链路共有10个频谱隙，可调节参数α＝0.5。
[0173] 第二，生成一组业务请求TD1(0,3,2,7×E-6)和TD2(4,1,2,5×E-6)。
[0174] 第三，执行基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法的多目标联合优化函数(式(9))，满足业务请求的带宽流量守恒约束条件(式(10)至(15))、频谱连续性约束条件(式(16)至(19))、频谱隙唯一占用约束条件(式(20))、工作路径与专用保护路径链路不相交约束条件(式(21))、工作路径占用频谱资源不大于专用保护路径约束条件(式(22))、工作路径和专用保护路径的联合故障概率满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件(式(23)至(30))。
[0175] 最后，获得基于专用保护联合故障概率约束的最优化路由与频谱分配方法的多目标联合优化函数解：10.000005265，即如图4所示，业务请求TD1(0,3,2,7×E-6)和TD2(4,1,2,5×E-6)所选择的工作路径为：0-1-2-3和4-5-1，对应分的配频谱隙编号为0和1；以及所选择的专用保护路径为：0-5-4-3和4-2-1，对应分配的频谱为0和1。利用公式(6)，业务请求TD1(0,3,2,7×E-6)所选择的工作路径和专用保护路径的联合故障概率为6.75×E-6，它小于这个业务请求的最大可容忍故障概率阈值7×E-6，则这个业务请求所建立的工作路径(0-1-2-3)和专用保护路径(0-5-4-3)满足最大可容忍故障概率阈值的约束条件。同样，利用公式(6)，业务请求TD2(4,1,2,5×E-6)所选择的工作路径和专用保护路径的联合故障概率为3.78×E-6，也满足这个业务请求所建立的工作路径(4-5-1)和专用保护路径(4-2-1)满足最大可容忍故障概率阈值(5×E-6)的约束条件。
[0176] 上述方法的实施例可以通过上述系统的实施例实现，上述系统的实施例可以采用上述方法的实时运行。
[0177] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
