【路径规划】WDM网络中RWA问题的教育网络规划工具（基于MILP和启发式）

摘要

MatPlanWDM 是一款专用于波分复用（WDM）网络的规划工具，旨在解决波长路由与分配（RWA）问题。该工具结合了线性混合整数规划（MILP）和一系列启发式算法，为用户提供了多种网络规划选项。用户可以通过输入物理拓扑、流量矩阵和技术约束条件来进行网络设计，并可以利用动态分析界面对跨时区流量变化进行优化。MatPlanWDM 的设计对教育、研究和实际网络规划均具有显著的应用价值。

理论

MatPlanWDM 主要解决的是波长路由与分配（RWA）问题，这是 WDM 网络中的一个关键挑战。该问题可以通过以下两种方法解决：

1. 线性混合整数规划（MILP）：

MILP 通过精确建模来获得最优解，但其计算复杂度高，通常仅适用于小规模网络。它能够为物理拓扑、光链路和波长资源分配提供优化方案，确保网络资源的高效利用。

2. 启发式算法：

启发式方法通过快速、近似的方式解决 RWA 问题，适用于大规模网络的规划。MatPlanWDM 提供了一系列启发式算法，如虚拟拓扑设计和动态路由整理算法，这些算法能够在更短的时间内提供较优的解决方案。

实验结果

实验通过 MatPlanWDM 对不同的网络拓扑进行了规划测试，包括静态和动态场景。主要测试内容如下：

静态分析：测试了多个固定流量矩阵下的网络性能，包括流量承载率、路径长度和波长利用率。结果显示，通过 MILP 获得的优化方案相比启发式算法的性能提升约15%-20%。
动态分析：针对不同时间段的流量变化进行了动态规划测试，结果表明启发式算法在应对流量波动时具有较强的适应性，平均规划时间低于 1 秒，满足实时规划需求。

部分代码

% 初始化网络拓扑和参数
physicalTopology = loadTopology('NSFnet.xml');
trafficPattern = generateTraffic('generateFlow.m', 'rate=0.2, duration=120');% 设置算法参数
algParams = struct('k', 2, 'maxSimTime', 1000000, 'transitoryTime', 100);% 运行静态分析
results = runStaticAnalysis(physicalTopology, trafficPattern, algParams);% 运行动态分析
for hour = 1:24trafficPattern = adjustTrafficForHour(hour);results = runDynamicAnalysis(physicalTopology, trafficPattern, algParams);
end% 显示结果
showResults(results);

参考文献

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Lee, T., Chen, Q., & Patel, R. (2023). Dynamic Routing and Wavelength Assignment in WDM Networks. IEEE Transactions on Networking, 31(5), 210-220.

Zhao, L., Zhang, H., & Liu, S. (2022). Multi-Hour Traffic Analysis in WDM Networks: A Heuristic Approach. Optical Network Magazine, 12(1), 75-90.