[发明专利]基于权重禁忌搜索解决光网络的路由和波长资源的方法

权利要求书

1.一种基于权重禁忌搜索解决光网络的路由和波长资源的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)初始化网络结构以及参数：对于给定的光网络物理结构图G＝(V,E)，光路需求数目P＝{1,2,...,p}，初始化光路需求的分配状态a(p)＝0,p∈P，光网络物理结构图的每条路段的权重初始化为1；

(2)设计基于权重的贪婪构造算法，生成初始分配方案：根据光网络路由和波长双层NP-hard问题特性，及以往分配方案的历史信息，设计相应的权重规则，动态地为光路需求分配合适的路由和波长；

所述步骤(2)包括如下步骤：采用贪婪算法，建立一个冲突尽可能少的使用K个波长的路由和波长分配方案S₀：

每次从一组未分配波长的光路需求中选择一个光路需求分配路由和波长，首先使用动态的评分方式对未分配波长的光路需求进行评分；

所述动态的评分方式具体包括如下步骤：

通过dijkstra算法计算每个光路{1,2,...,p}的最短路径长度{l_s(1),l_s(2),...,l_s(p)}，将未分配的光路按照最短路径长度以及最短权重长度进行重新排序，未分配光路需求p的评分如下：

score₁(p)＝|l_s(p)|+|w_s(p)| (1)

其中w_s(p)为最短权重长度；

其余光路需要经过光路需求p的被分配路径r的评分标准为：

score₂(p,r)＝|w(p,r)| (2)

其中w(p,r)为光路需求p的路径为r时的权重；

路径选择完成后，对此路径r波长k的评分标准为：

其中|c(e,k)|表示路径r选择波长k时与其他已经分配了的光路路径之间的冲突；

每条光路需求被分配路径和波长后，更新分配路段e的权重，其权重更新方式如下：

w(e)＝w(e)+γ₁ for all e∈r (4)

其中γ₁＝1/10；

根据所述评分，概率性地选择具有最高分数的未分配波长的光路需求；

根据其余光路需要经过某路径的可能性，计算此光路需求的相应路径的分数；

根据路径分数，为此光路需求选择路径；

根据相邻光路需求分配到相应波长的可能性，计算此光路需求的相应波长的分数；

根据波长分数，为此路径选择波长；

重复以上过程，直至所有的路径均被分配波长；

所述动态的评分方式包括以下规则：

1)双向光路需求优先于单向光路需求；

2)光路需求的最短路径长度越长，其优先级越高；

3)光路需求总权重越长，其优先级越高；

(3)构造具有新的目标函数和邻域的禁忌局部搜索算法；提出两种邻域结构，优化步骤(2)生成的初始分配方案，更换冲突光路的波长的同时更换此光路的路径，交换两个冲突光路的波长的同时更换这两个光路的路径；

所述步骤(3)包括如下步骤：

i)规定搜索空间；对于路由和波长分配问题，采用的局部优化算法的搜索空间Ω_k由所有可能的k组波长组成，即：

其中i≠j,1≤i,j≤k，V_i是由波长为i的光路需求构成的集合；

ii)构造目标函数；在搜索阶段，提出基于冲突和总路径长度的改进后的目标函数F(s)

F(s)＝f(s)+g(s) (6)

其中f(s)表示当前解s中的冲突光路数，g(s)表示当前解s的路径总长度与最小路径长度之和的差值，其中对于固定的网络结构和光路需求，最小路径长度之和为常量；

其中C(V_i)表示集合V_i中的冲突光路数，l(p)表示光路需求p的路径长度；

iii)设计目标函数的快速增量计算；根据所提出的目标函数，设计快速增量技术，评估当前分配方案的各个邻域与当前分配方案之间的差值△F(s)，从而降低运算量；

iv)邻域移动操作：采用两种移动操作算符：单点移动算符one_move(r,V_i,V_j)及交换算符swap(r,u)；令s为当前解，OP代表移动算符用来转移s，用代表s进行OP操作；单点移动算符one_move(r,V_i,V_j)即为将一个冲突路径r从它现有的波长类V_i移动到另一个波长类V_j中，且同时以一定的概率改变其路径，其概率计算公式为：

其中L_max为最长路径,w_max为最大权重；

单点移动运算符产生的邻居N₁如公式(16)所示：

其中C(s)表示s中的冲突波长集合；

交换算符swap(r,u)交换来自不同波长类的一对光路(r,u)，且这对光路中至少有一个顶点与其他光路冲突；交换算符的邻居N₂如公式(17)所示：

所述快速增量技术包括如下步骤：

a)构造一个大小为|C|×|E|的光路数矩阵T：

对中间矩阵T进行运算，C为冲突波长集合；快速计算目标函数的增量，T[c][e]保存物理边e上波长为c的分配的光路的个数，其计算方式如下：

T[c][e]＝|{p:c_p＝c,e∈r}| (9)

其中c_p表示光路需求p的波长，r表示光路需求p的路径；

b)通过中间矩阵T计算目标函数增量；定义操作l,c′,c^*,r′,r^*为将光路需求l的波长从c′更改为c^*并将其路径从r′改为r^*；目标函数的增量由路径冲突增量和路径总长度增量两部分组成，即：

△F(s)＝△f(s)+△g(s) (10)

其中，

c)升级中间矩阵T：执行完每次操作l,c′,c^*,r′,r^*后，需更改与当前操作相关的T矩阵的元素，以便符合当前分配状态，需要更新的元素集合为{T[c][e]:(c＝c′ or c＝c^*)and e∈r′∪r^*}，更新方式为：

T[c′][e]←T[c′][e]-1,e∈r′ (13)

T[c^*][e]←T[c^*][e]+1,e∈r^* (14)；

(4)采用扰动方法，跳出局部最优区域：当禁忌权重优化阶段终止时，如果对光网络的最佳资源分配方案得到了改进，则保持扰动步长；否则，如果连续多次无法改善分配方案，则认为搜索陷入局部最优的陷阱中，触发深度扰动，即增加扰动步长；被扰动的分配方案用做下一次方案的初始解。

2.根据权利要求1所述的一种基于权重禁忌搜索解决光网络的路由和波长资源的方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括如下步骤：

在禁忌局部搜索算法陷入局部最优时，采用简单的扰动；扰动采用单点移动算符移动一定数量的路径；为了避免扰动解的过度恶化，扰动考虑了适应度值f以及扰动参数d，并且在接下来的tt次移动中不能换回原来的波长，其中tt表示扰动阶段的禁忌长度，tt＝f+d；当禁忌权重优化阶段终止时，如果对光网络的最佳资源分配方案得到了改进，则保持扰动参数；否则认为搜索陷入局部最优的陷阱中，深度扰动被触发，即增加扰动参数d；最后，将扰动过程中得到的分配方案作为下一轮多层级阶段的初始分配方案。