摘要：传统的传输网络评估技术依据网路资源利用率或安全性等指标进行分析，存在评估需要采集数据量大，无法获得最优网络资源利用数据，指标存在主观性等不足。
1概述
1.1研究背景
目前移动通信业务发展迅猛，通信业务量增长很快，特别是未来3G建设以及各交换局间的电路和数据业务接入对传输网提出更高的要求。传输网的建设需要通过深入分析现网状况和承载的业务模型，充分利用现有传输网络资源，从网络结构、带宽管理和调度、设备应用等多方面，提出针对性的优化调整方案以及网络未来几年的规划，从而提高网络的利用率、可靠性和灵活性，适应未来多种业务需求。
但是，现有传输网络中普遍存在传输网资源利用率偏低，主要表现在网络结构和通路组织不合理，业务较多采用迂回转接路由；部分传输环网节点数量偏多，因环网带宽瓶颈导致部分节点设备利用率低下；网络中部分业务汇聚节点或者核心站点的槽位和端口没有剩余，无法增加新的业务，只有暂时通过业务改造、跳接来实现扩容业务开通。因缺乏业务的预见性，多次扩容导致电路时隙散乱，占用设备交叉资源。
在现有传输网络维护或建设中，需要避免上述现象的发生，需要规划、运维、工程部门仔细考虑传输网络优化，包括网络的优化设计以及对现有传输网络的维护优化。
传输网络优化技术包括传输网络评估分析技术和优化技术，本文主要探讨传输网络评估分析技术，而评估技术又是优化技术的基础。
1.2目前传输资源使用的局限性
涉及传输网资源日常使用的运维和管理工作主要有电路调度、资源管理、网络优化等。当网管人员进行电路调度时，在知道所需的电路的源和目的地址以及所需带宽的情况下，需要查看网络的可达路由中哪些是空闲的，然后依据流量均衡、最少跳数，最小代价或者其它约束条件从这些空闲的路由中选择一条路由进行配置。具体配置过程中，还要依据所需带宽，选择合适的时隙沿路由对经过的节点进行交叉连接配置。如果在一个环中无法配置所需电路时，则需要跨环进行配置，这样路由的选择和交叉连接的配置就更为复杂。
通常进行电路路由配置时，可选择的路由方案一般有两条：一般情况下，选择的路由都是跳数最少的路由，这样可以节约板卡资源。但由于业务发展的不均衡性，这样选路的结果就会导致环网中局部资源利用率过高，而其它部分利用率过低的现象，这种现象在节点数较多的环形网络中更为常见。
二是基于安全性指标考虑，为了保证某些重要电路的安全性，使其具有抗双点故障的性能，或者避免出现双点故障情况下某些局向全阻的现象，某两点之间的电路分配到不相关的，而且不在同一个环上的两条或者多条路由上，因为不在同一个环上的两条路由，必定有一条不是最优的，而且有可能代价很大，这样势必造成网络资源的浪费。
在人工配置过程中，当电路经过的节点数比较多时，配置是非常复杂和耗时的，同时人工配置具有一定的随机性，也造成网络资源无法于统一规划和优化，因此需要定期进行网络优化和资源管理。网络优化一般是在两种情况下进行的，一是资源分配不合理或者不够用；二是提高网络的其它指标（如运维考核指标、网络安全性指标等）。
要提高传输资源利用率，需要依赖于准确的业务流量及流向的预测，合理的网络结构及通路组织配置。根据今后业务需求模型调整传输网的网络结构和通路组织，选择合适的传输核心、汇聚节点，减少业务的迂回转接，寻找可最大业务量开通的通路组织分配策略。
1.3现有传输网络评估方式
传输网络优化流程包括：数据收集、网络评估分析、网络优化方案（方案对比）、工程实施、优化前后网络评估分析对比、网络优化方案改进。其中网络评估是优化的基础，也是优化结果的检验手段。
目前传输网络评估主要是在现有传输网络上进行数据采集和评估分析，通过分析现有传输网络现状和业务模型，从承载业务类型及流量模式、带宽分配、网络资源利用、网络安全、光纤和管道资源风险、多业务支持等诸多方面，对传输资源进行评估。通常网络性能的评估主要侧重于网络资源利用率、网络生存性、多业务支持等几方面。
1．网络资源利用率
网络资源利用率关键指标包括：可开通的业务数量（RSN）；交叉资源使用率(CRE)；支路端口资源使用率(TIE)；可达到的时隙资源使用率(RTE)；槽位资源使用率(SRE)；网络的单段电路利用率，网络平均电路利用率，网络调度效率，业务转接方式，以及设备升级能力。
2．网络生存性
网络生存性关键指标包括：设备保护、网络保护、业务配置方式、线路情况等。主要评估目前网络结构合理性，网络是否足够安全，是否存在故障隐患，以及保护方式和业务配置是否对网络运行存在障碍。
3．多业务支持
主要从目前传输网络承载的业务模式和组网方式入手，分析现有的传输网络是否能够在用户需求不断改变和新业务不断推出的情况下，传输网络如何适应这种变化，保护用户投资。
现有的评估方式通过采集和计算以上各类指标，获取量化的网络的资源使用状况，通过指标与预先设定的门限值比较，分析现有的网络资源是否得到充分利用，找出网络业务瓶颈点，针对网络问题，提出解决方案，以便最大限度的利用原有的网络投资，提高资源利用率和资源使用效能。
现有的评估方式存在以下不足：
1)运营商面临的业务需求、网络状况的不同和变化发展，选取的网络指标、权重和门限值是否在不同环境下都具有合理性和科学性。
2)对多局向业务需求矩阵，无法根据网络状况获得最佳的业务开通方式；也无法根据网络状况推出系统最大的业务开通能力，对剩余空闲资源的可利用时间无法准确把握。只能以现网数据指标统计数据为基础做指标分析。
3)评估之前需要采集现有传输网络的大量数据，包括：时隙分配图；业务配置情况（需要细化到每个端口和每块单板）；网络拓扑图；保护和业务转接关系以及转接电路数量状况等等，前期数据收集工作量巨大。
2业务量疏导可用于网络评估
2.1业务量最大化和业务疏导
要想提高传输资源利用率和业务开通能力，需要合理的优化网络结构及通路组织。主要包括3个方面：网络拓扑结构优化、路由优化及流量分配优化。其整个优化过程是一个循环迭代的过程，不仅求解算法相当复杂，而且计算量相当大，几乎无法得到最优解。一般为求解方便，可以假设其中某一部分是已确定的，来优化求解另外的部分。
网络评估一般基于现有传输网的网络结构，现有传输网网络结构和配置的带宽容量在一定时期内是稳定的，可以假定网络拓扑结构已经确定前提下，如何进行路由及流量分配的优化。
基于传输网络路由及流量分配能够为用户提供各种带宽粒度的服务和应用。传输网中每个链路可以以相当高的速率传输，然而在实际应用中，每个业务的通信速率往往远远低于一个链路的最高传输速率。显然，在传输网中，需要研究如何有效地为这些低速业务建立连接。低速业务建立连接涉及如何在现有网络结构和现有业务量基础上，如何进行业务的路由配置和流量配置，以使全网的可开通业务容量最大化。
为了提供细粒度的速率或带宽需求，同时降低网络建设成本和运营成本，提高网络性能，采用疏导（grooming）技术可以解决这个问题。即有效地将低速业务流“疏导”（groom）高容量的链路上去传输。“疏导”源于复用（multiplexing）和捆绑（bundling），即将多个低速业务汇集到高容量的传输单元上传输，是用来描述传输系统中有效利用容量的优化设计方法。
业务量疏导问题可以如此描述：给定一个网络配置，包括物理链路、每个网络节点的收发器数目、每根光纤传输容量，业务量疏导就是为一组具有各种低速带宽粒度的业务连接建立请求，建立链路以有效地安排下这些连接请求，同时优化网络的性能。业务量疏导就是将低速业务连接（或者业务流）汇聚到一个链路上传输，低速业务流可以通过一条链路到达目的网络节点（单跳业务量疏导，single-hoptrafficgrooming），也可以通过多跳链路到达目的（多跳业务量疏导，Multi-hoptraffic grooming）。
低速业务连接建立请求可以是静态的，可以是动态的。所谓静态就是已知所有低速业务连接建立请求（即各个节点对之间的各种颗粒的连接请求），这些业务连接请求构成业务需求矩阵。所谓动态就是业务连接建立请求动态到达，动态离去。业务量疏导根据业务静态与否可以分为：静态业务量疏导和动态业务量疏导两类。
静态业务量疏导是预先给出所有低速业务连接需求，计算路由和流量分配。这种计算可以是离线的，即不需实时计算。静态业务量疏导是为已知的低速业务量建立合理的链路，形成最优的逻辑拓扑（虚拓扑），疏导各个业务连接。它所考虑的是如何从全局优化的角度来为所有连接需求计算路由。其优化目标是在给定的低速业务量需求下：（1）使网络成本最小，即使减少电终端设备ADM或者DXC 端口数目，也可以是最小化链路数目；（2）给定收发器数目限制、链路容量数目限制，最大化网络吞吐量。
传输网络评估一般是基于某一特定时期的网络拓扑和业务需求矩阵来寻求最优业务疏导结果，因此可采用静态业务量疏导技术。
2.2业务量疏导研究现状
静态业务量疏导实质上是一种特殊的网络全局优化设计问题，可以使用线性规划、模拟煺火、遗传算法等优化设计手段加以解决。由于环网具有很强的自愈能力，很多网络是采用环形结构来组网的，前几年业务量疏导研究主要基于SDH/WDM环网的。近年来，由于网状结构能够提供快速和有效的容量配置现已成为长距离骨干网的主要组网方式，并且具有更好地抗毁能力。网状网中的业务量疏导成为关注的热点。
在环网中网络的造价取决于SDH、SONET的分叉复用器(add-dropmultiplexer，ADM)，因为网络的优化目标通常是直接或者间接最小化ADM 设备的数量。文献[1、2]采用线性规划方法对这些方面做了详细地综述。文献[2]采用线性规划研究了SONET/WDM环网中的单一业务速率业务量疏导，解决最小化ADM数量问题。文献[3]采用线性规划研究了SONET/WDM环网中的多个业务速率业务量疏导，解决最小化ADM数量问题。文献[4]提出了WDM 网状网中业务量疏导的模型，并使用线性规划解决静态业务量疏导，解决最小化波长数目和 ADM设备问题。文献[6、7、8]利用其他算法研究业务量疏导，用于解决WDM网中最小化波长数目和 ADM设备问题。
从之前的研究情况来看，目前业务疏导算法主要的优化目标是基于给定的网络拓扑结构和业务需求矩阵，如何最优化系统的设备投资。而网络评估需要寻求的是在给定现网的网络拓扑和设备容量情况下，如何最大化整个网络的业务开通能力。尤其是基于现有SDH网络环境中，通过业务疏导得到网络上能够开通的最大电路矩阵和网络瓶颈预期出现的位置，做为传输评估和优化的依据。文献[5]给出了利用线性规划，以网络的最大吞吐量作为优化目标，建立WDM网状网中静态业务量疏导的模型，但模型仅适用解决将WDM光路中低速带宽汇聚到一个波长上传输的业务量疏导问题。
参考相关的研究，目前我们提出建立基于线性规划的模型，通过给定的现有传输网络结构（子网类型、网元、子网中网元连接关系、容量），以所有局向上的业务量之和最大（即网络吞吐量最大）为优化目标，根据业务量疏导原则，计算得到网络上每个电路局向能够开通的最大电路矩阵。
结合现有传输网络历史电路需求（端到端的电路需求统计数据）或电路增长数据，或未来期望开通的多局向端到端电路矩阵；根据计算得到的该网络最大可开通电路矩阵——该网络的最佳状态，可获得网络不同时期各链路的剩余容量空闲比，评估得到网络资源瓶颈位置（环、链）和资源瓶颈出现的时间。利用最大可开通电路矩阵，可从以下两方面评估网络状况。
1、网络角度
分析网络中已开电路和最佳开通能力之间的差值，确定某个节点各方向开通能力是否已耗尽或即将在未来某个时刻耗尽，以及相应的剩余量值，判断网络中是否存在孤立节点——与其他节点之间将完全失去连通性的节点，该节点将丧失业务开通能力，同时会导致网络其他区域的资源利用效率的降低。
评估该网络结构下各部分网络资源是否能够被充分利用，说明现有网络结构、容量的设计与未来业务需求是否匹配。是否可以通过优化进行各部分网络资源的平衡。
2、电路角度
分析电路开通的网络资源利用效率，说明每一个局向的电路占用网络资源的情况，找出存在资源利用效率问题的电路局向，特别是业务量较大、且资源利用率很低的电路局向。
该的评估方式的优点如下：
1)依据网络结构，以动态算法方式模拟预期的最优网络电路开通方式，获得现网的最大业务开通能力。强调以网络上最大的电路开通能力做为评估的客观指标，进而可结合现有或未来业务需求和流量分布评估网络。
2)基于线性规划数学模型和相关规划软件，不仅评估效果更客观，而且提升了效率。从网络建成投入运行时，就可以根据已开通的电路业务需求不断地评估、监视网络的业务支撑能力。还可以根据历史数据，利用动态业务预测模型进行未来业务需求分析，可以将预测网络瓶颈的时间大大提前，为网优、网改留出充裕的时间，进而提升网络优化的效率和质量。
3)评估之前对网络资源数据仅需要收集和网络结构有关的数据，不需要采集现网的业务配置数据，大大减少了评估需要的前期数据资源采集工作量。
3用于传输网评估的线性规划模型
采用线性规划（ILP）以最大化网络吞吐量来进行网络评估，需要首先建立相应线性规划模型，根据线性规划模型求解，可获得最大可开通电路矩阵的优化或次优化解，相关的解虽然可能不是最优，但用于网络评估仍然具有相应的价值。为更好地解决多节点、大网络下的静态业务量疏导问题，可以将线性规划问题转换成相等的mixedILP(MILP)问题，使相关的计算过程更迅速。然后将建立的规划模型和相应的传输网络数据，输入到相关的线性规划软件，如CPLEX、LINDO中，通过计算机软件进行模型求解，获得相应的最优解。
为求解方便和简化模型，我们假设网络中的所有链路都包含多个传输业务电路；电路的两个端点都在网络节点上，一条电路可以穿过多个传输链路，所以一条电路连接可能会被和在不同链路上的不同电路一起疏导；每个业务电路具有相同的2M带宽，其他不同颗粒度的业务需求可以用相应数量的等效2M电路来代替；网络中每个结点都能上/下电路，结点具有足够的发送器和接收器数目。
定义如下的变量
N：网络中的结点数目；
s和d：业务电路在网络中的源节点和目的节点，一条电路可能经过一个或多个逻辑链接；1≤s≤N；1≤d≤N；
j：表示网络上的任意一个节点1≤j≤N；
Wj：表示当前某个时刻节点j的空闲的链路容量大小；
C：端到端的最大可开通业务矩阵，Csd表示s和d之间的业务需求；
i：表示网络中的一条逻辑链接（业务电路在链路上分配的相应带宽通道）1≤i≤N2G（G是网络拓扑上最大链路容量的等效2M带宽值）
k：表示网络上开通的一条电路1≤k≤H（H是一个极大的整数）；
Eijk=1则在逻辑链接i相关的节点j是电路k上是端节点，否则该值为0 ；
Iijk=1则在逻辑链接i相关的节点j是电路k上是转接节点，否则该值为0；
Bjk＝1则只要有任何一个逻辑链接，其相关节点j是电路k上是端节点，否则该值为0，这个变量用于统计在整个网络上所有的电路端节点，系统优化的目标就是使该值数据最大。
M满足最大可开通业务矩阵的所有逻辑链接数量；
sti是逻辑链接i开始节点的节点序号，endi是逻辑链接i结束节点的节点序号。Lengthi表示逻辑链接i的长度＝（sti－endi+ N)。
相关IPL模型
优化目标：
约束条件：
1、每一个节点在相关电路的逻辑链接上不是端节点就是转接节点
2、每一个逻辑链接在业务需求矩阵上都能得到有效指配
3、一个电路中的某段逻辑链接只能有一个
4、同一个逻辑链接不能被两个电路业务需求所共享
5、转接节点必须位于端节点之间
6、所有端节点之间都是转接节点
7、每一个端节点都只被计数一次
8、源节点处所有电路的逻辑链接端节点数量，等于该源节点到其他节点可开通最大业务电路数量之和
9、目的节点处所有电路的逻辑链接端节点数量，等于其他节点到该目的节点可开通最大业务电路数量之和
10、节点的最大可开通容量小于或等于该节点链路容量大小。
数值边界：
所有的Eijk，Iijk和Bjk∈{0，1}
条件1－7是有关网络拓扑和路由上的约束，条件8－10是有关网络容量上的约束，由该模型可看出在给出网络基本结构基础上，以网络的最大业务开通为优化目标，可获得网络上各节点之间的最大业务开通电路矩阵，以及各节点的转接电路矩阵，从而获得节点处各方向链路容量的空闲情况，用以评估网络节点的预期开通能力和资源瓶颈。
4案例和结论
将上述ILP模型依据相关线性规划软件的建模语法建立模型到系统中，输入相应的网络结构数据和业务开通数据，通过计算机软件进行模型求解最大业务开通电路矩阵。下面以图1网络环境为例，介绍基于业务疏导的传输网评估模式的特点。
图1 需要评估的传输网络
我们将电路需求分7个阶段提出，依次从T1到T7，其中为T0网络建成时刻。其各个阶段的业务需求见表1。
表1：需要评估传输网络各阶段业务需求
在T0时刻，知道T1到T3三个阶段的电路需求，开始第一次评估。
在T3时刻，知道T4到T7三个阶段的电路需求，开始第二次评估。
评估采用以下指标
1、客观指标定义：电路开通能力——可开通的最大电路量与总电路需求量的比值，假如这个指标低于100%，则发出电路开通能力预警报告。
2、主观评估指标：链路空闲容量比——假设期望任何时刻，如果链路上空闲容量与总可用容量之比低于10%，如超出这个门限，则发出容量预警报告。
通过上述模型在线性规划软件中求出各局向最大可开通电路矩阵如表2：
表2：需要评估传输网络T0时刻的各局向最大可开通电路容量
根据T1时刻的电路需求，该时刻所有电路需求都能得到满足，所有链路的空闲容量比值都大于设定的指标值，该时刻网络健康。T1时刻网络状态如图2
图2 T1阶段电路开通后的网络状态
根据T3时刻的电路需求，该时刻所有电路需求都能得到满足，电路开通能力还是100％，但环3：枢纽-东门、建新-枢纽两条链路上的容量空闲比都是0%，但在枢纽节点通过光明桥和琴亭方向，还是可以开通电路，该时刻链路容量的报警还不影响电路的开通。T3时刻网络状态如图3
图3 T3阶段电路开通后的网络状态
根据T6时刻的电路需求，该时刻所有电路需求无法得到满足，电路开通能力只有80％，枢纽节点各个方向链路上的容量空闲比都是0%，该节点已完全丧失了业务开通能力。T6时刻网络状态如图4
图4 T6阶段电路开通后的网络状态
从整个评估过程来看，系统在T3阶段开始出现容量预警，但这种容量预警不会直接影响电路开通能力。从T6阶段开始，网络的电路开通能力下降（低于100%），直接影响对业务网电路需求的支撑能力。由上面的数据评估得到网络优化的主要目标是环1和环3，解决“枢纽”、“凤凰”、“东门”节点出口容量问题应该成为优化的重点。实施网络优化的时间可以在T4或T5阶段开始，优化项目至少应在T6阶段开始前完成在不影响网络的业务量开通。
由评估过程可以看到现有传输网评估主要采用的主观指标（链路空闲容量比）与客观指标（电路开通能力）之间在时间上并没有必然的联系——在本例中，T3开始系统发出容量警报，直到T6阶段才出现电路开通能力警报。从本例中可以看到应用业务量疏导算法在传输网评估中，能有效地提高评估的客观性和实时性。结合相应的线性规划软件，评估的工作量也可以大大减少。（后卫编辑）
