面向Novonet愿景的傳送網(wǎng)TAC層規(guī)劃算法研究

褚文軒

摘要：以Novonet網(wǎng)絡(luò)愿景為指導(dǎo)，創(chuàng)新提出基于整數(shù)線性規(guī)劃及GIS技術(shù)的“匯聚TAC新增匯聚區(qū)劃定算法”。該算法可以最小化傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，解決傳送網(wǎng)絡(luò)瓶頸，有效提升TAC層的匯聚收斂與疏導(dǎo)能力。

Abstract： Guided by the vision of Novonet's network， the "additional TAC new convergence zone demarcation algorithm" based on integer linear programming and GIS technology is proposed. The algorithm can minimize the construction cost of the transmission network， solve the bottleneck of the transmission network， and effectively improve the aggregation convergence and grooming capabilities of the TAC layer.

關(guān)鍵詞：Novonet;網(wǎng)絡(luò)重構(gòu);整數(shù)線性規(guī)劃;TAC;算法;優(yōu)化步驟

Key words： Novonet;network reconstruction;integer linear programming;TAC;algorithm;optimization step

中圖分類號：TN915.0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0266-02

1 ?Novonet網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

目前國內(nèi)各大運(yùn)營商的傳輸網(wǎng)是在原有剛性通道承載模式下引入了IP化彈性機(jī)制而形成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以滿足話音、基本數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載，但是隨著萬物互聯(lián)、低時延、大容量等新型應(yīng)用的井噴式發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)提出了用戶動態(tài)定制化、智能維護(hù)管理、即插即用等需求，需要重新構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使之即具備云化資源自適應(yīng)動態(tài)調(diào)度能力，又保持原有分層構(gòu)建、結(jié)構(gòu)清晰、經(jīng)濟(jì)建網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

大勢所趨，中國移動集團(tuán)公司創(chuàng)造性的提出了NovoNet未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。

核心層電信集成云TIC（Telecom integrated Cloud）：以智能化資源管理、分配職能為核心，主要承載控制面單元和集中化的媒體面單元、CDN和核心流量調(diào)度部分。

邊緣層電信集成云TIC（Telecom integrated Cloud）：面向無線、集客、寬帶三大媒體面，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)媒體流的終結(jié)。

匯聚TAC（Telecom access center）：實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)及駐地網(wǎng)的業(yè)務(wù)流匯聚和收斂功能，并疏導(dǎo)至TIC層。

接入TAC（Telecom access center） ：實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)的接入（受限于啞資源能力如：光纜、機(jī)房、管道、光交箱等的布局）。

2 ?TAC層對于Novonet演進(jìn)的重要作用

在重構(gòu)的Novonet網(wǎng)絡(luò)中，要達(dá)到為各種業(yè)務(wù)提供靈活、快速、按需連接服務(wù)的目的，需要現(xiàn)網(wǎng)核心層通過NFV/SDN技術(shù)向云化的TIC演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)full-mesh互聯(lián)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到靈活、強(qiáng)大的業(yè)務(wù)服務(wù)能力。對于接入層，需要盡可能的延伸到客戶接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)客戶業(yè)務(wù)的快速接入與匯聚，實(shí)現(xiàn)接入TAC的能力。

匯聚TAC層處于接入TAC與TIC之間，在Novonet中處于承上啟下的網(wǎng)絡(luò)層次。對下，匯聚與收斂接入TAC的海量的家寬、集客、5G、物聯(lián)網(wǎng)甚至AR、VR業(yè)務(wù);對上，需要將紛繁復(fù)雜的應(yīng)用數(shù)據(jù)疏導(dǎo)到full-mesh的TIC網(wǎng)絡(luò)中。所以匯聚TAC層的匯聚收斂能力，業(yè)務(wù)疏導(dǎo)能力，成為了Novonet中的重要環(huán)節(jié)，TAC層的能力好壞與否，直接關(guān)系能否支撐Novonet目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的資源靈活調(diào)度、業(yè)務(wù)與運(yùn)維自動化、海量業(yè)務(wù)快速接入的能力。

同時，TAC層包含的匯聚機(jī)房、管道等網(wǎng)絡(luò)元素，是中國移動在多年的傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中逐漸積累沉淀下來的，屬于獲取成本較高的戰(zhàn)略性儲備資源，制約因素較多。匯聚機(jī)房匯聚能力不足、管道管孔占用率高，這兩個因素間互相關(guān)聯(lián)、相互制約。因此，如何能夠在有限的投入下，結(jié)合機(jī)房與管道的現(xiàn)網(wǎng)資源，實(shí)現(xiàn)TAC層匯聚和收斂能力、疏導(dǎo)能力的提升與演進(jìn)，是需要重點(diǎn)關(guān)注的。

3 ?TAC層規(guī)劃算法思路及原理介紹

TAC層規(guī)劃算法是基于整數(shù)線性規(guī)劃及GIS技術(shù)提出來的，它的計算過程既遵循了自下而上的業(yè)務(wù)驅(qū)動（按照集客、家客、無線三大業(yè)務(wù)需求→微網(wǎng)格→綜合業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)→新增普通匯聚機(jī)房選址→新增匯聚機(jī)房選址），同時兼顧未來網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持3到5年的穩(wěn)定期，又結(jié)合了自頂而下的迭代方式進(jìn)行測算。

3.1 匯聚TAC層新增匯聚區(qū)劃定算法思路

①按照市政道路、鐵路、河流、橋梁、山脈等天然障礙物形成的路由瓶頸及核心機(jī)房或現(xiàn)有的匯聚機(jī)房空間資源、電源容量等難以擴(kuò)容形成的資源瓶頸，將現(xiàn)網(wǎng)劃分成T個匯聚區(qū)，直接掛接在核心機(jī)房的匯聚機(jī)房納入以核心節(jié)點(diǎn)為中心的匯聚區(qū)（分解成T個子問題，可以縮小運(yùn)算規(guī)模）。②將新增匯聚機(jī)房的預(yù)期選定值設(shè)為K=0，分析2017年建設(shè)需求數(shù)據(jù)，瓶頸資源如果未耗盡，則依次累加2018、2019、2020、2021年建設(shè)需求（基礎(chǔ)戰(zhàn)略資源儲備5年）。如果耗盡，則令K=k+1，k=0、1、2、…、i，直至計算出到2021年仍未耗盡的最小K值，K值即為允許新建匯聚機(jī)房數(shù)量。③確定i個候選匯聚機(jī)房（I=“新增普通匯聚機(jī)房劃定算法輸出”∪（“經(jīng)過電源及空間擴(kuò)容能達(dá)到匯聚機(jī)房要求的原有普通匯聚機(jī)房∩無糾紛、風(fēng)險等的原有普通匯聚機(jī)房”））。④對于T個子問題，均輸入對應(yīng)的“G（V，E）：管道和道路的合成Topology（注：已去掉難以新建的路段，例如：山川、河流等），將瓶頸資源剩余容量設(shè)為常量”、候選匯聚機(jī)房。⑤算法輸出的最優(yōu)解即為“選定的新增匯聚機(jī)房集合”，最終確定新增匯聚區(qū)。

3.2 匯聚TAC層新增匯聚區(qū)劃定算法成本約束建模

A：輸入（常量）

①N：已有機(jī)房的集合（匯聚機(jī)房）

②Fn：第n個機(jī)房的纖芯總數(shù)

③I：候選機(jī)房列表（匯聚機(jī)房）

④G（V，E）：管道和道路的合成Topology（注：已去掉難以新建的路段，例如：山川、河流等）

⑤Me：第e條邊中已有管道的數(shù)量

⑥Be：第e條邊是否允許挖溝或擴(kuò)容

⑦Ce：第e條邊添加1個管道的成本

⑧Pni：第n個機(jī)房到第i個候選機(jī)房的路徑（從G（V，E）中計算1條最短路）

⑨dni：Pni路徑的物理距離

⑩K：允許建設(shè)新增匯聚機(jī)房的數(shù)量

{11}Hi：第i個機(jī)房的建設(shè)成本

{12}Ji：第i個機(jī)房最大允許的容量（因為網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容或新建→進(jìn)入機(jī)房的纖芯數(shù)增加→設(shè)備增加→機(jī)房空間占用增加且耗電增加，所以可以用纖芯數(shù)增加等價于機(jī)房空間占用增加及耗電增加）

{13}R：每個管道最大允許裝載的光纜數(shù)量

B：變量（優(yōu)化算法會計算出來其值）

xi：0/1變量，該候選機(jī)房是否被選中

yni：0/1變量，第n個已有機(jī)房是否歸屬第i個候選機(jī)房

ze：整數(shù)變量，第e條邊新增管道數(shù)量

C：優(yōu)化目標(biāo)（最小化總成本）

其中，第1項是機(jī)房建設(shè)成本

第2項是光纖成本（光纖數(shù)量*距離）

第3項是挖溝成本

D：約束

①∑iyni=1 ？坌n∈N

每個匯聚機(jī)房必須歸屬到1個候選機(jī)房。

②∑ixi？燮k

最大建設(shè)機(jī)房數(shù)量不能超過指定的數(shù)量。

③∑nyni*Fn？燮Ji ? ？坌i∈I

機(jī)房i內(nèi)歸屬的匯聚機(jī)房的容量和不能超過新建機(jī)房的容量。

④∑i∑nyni*Fn？燮（Me+Ze）*R ? ？坌e∈E且允許挖溝

對允許挖溝的e，經(jīng)過該e的光纜總和不能超過已有和新增的管道容量。（注：是否經(jīng)過e可以通過Pni來確定）

⑤∑i∑nyni*Fn？燮（Me*Re） ? ？坌e∈E且不允許挖溝

對不允許挖溝的e，經(jīng)過該e的光纜總和不能超過已有管道的容量。

若需要對每個區(qū)域限制新建機(jī)房的數(shù)量，則

新增輸入：

S：區(qū)域的集合

TS：每個區(qū)域的機(jī)房數(shù)量

新增約束：∑i∈S xi？燮TS ? ?？坌s∈S

所有屬于S的新建機(jī)房數(shù)量不能超過指定的TS。如果是必需選TS個，那么“？燮”改為“=”。

算法的求解過程使用的是通用方法，在此不再贅述。特別要指出的是本算法使用了大量整數(shù)線性規(guī)劃的方法，而整數(shù)線性規(guī)劃是應(yīng)用非常廣泛的運(yùn)籌學(xué)的一個重要分支。通過建立成本模型和約束模型，準(zhǔn)確刻畫實(shí)際問題的目標(biāo)和約束，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化求解出最優(yōu)解。該方法的優(yōu)化目標(biāo)和約束模型可擴(kuò)展性好，是解決最優(yōu)化的一個重要手段。但是現(xiàn)有的整數(shù)線性算法缺點(diǎn)是對大量約束和變量情況下求解復(fù)雜。我們通過拉格朗日松弛變量和分支定界等多種方法，解決了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃領(lǐng)域整數(shù)線性規(guī)劃最優(yōu)的問題。

4 ?TAC層組網(wǎng)布局優(yōu)化步驟

根據(jù)上述TAC層規(guī)劃算法思路，總結(jié)出組網(wǎng)布局優(yōu)化方法7個步驟，結(jié)合各自城市特點(diǎn)，便可以較好的解決現(xiàn)網(wǎng)機(jī)房匯聚能力不足，管道管控占用率高的問題，提升匯聚TAC層的匯聚收斂能力和業(yè)務(wù)疏導(dǎo)能力，使組網(wǎng)布局面向Novonet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)。①基礎(chǔ)調(diào)研：調(diào)研收集DC機(jī)房、核心機(jī)房、骨干匯聚機(jī)房、匯聚機(jī)房分布情況，包括地理位置、經(jīng)緯度、空間及電源配套。光纜分布情況重點(diǎn)是光纜集中經(jīng)過的局點(diǎn);管孔占用率大于80%的管道，以及由于交通、山脈、河流、橋梁等瓶頸點(diǎn)，作為后續(xù)數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。②地圖模擬：利用GIS技術(shù)在地圖上進(jìn)行布點(diǎn)，按行政區(qū)域分割為多個子圖。在子圖內(nèi)尋找孤島，輸出骨干匯聚節(jié)點(diǎn)布點(diǎn)，綜合考慮輸出普通匯聚機(jī)房布點(diǎn);子圖之間尋找市縣之間是否存在單路由或同路由，輸出骨干路由的建設(shè)方案，并考慮造價。③方案尋優(yōu)：用雷達(dá)圖評估布局的合理性（投資、實(shí)施難度、組網(wǎng)安全、3-5年的穩(wěn)定性、成效等），幾種方案對比，評估出優(yōu)選方案。④擬合試驗：根據(jù)方案輸出，將現(xiàn)網(wǎng)情況與建設(shè)優(yōu)化方案通過地圖進(jìn)行疊加，擬合目標(biāo)組網(wǎng)情況，評估各資源狀態(tài)與效果。⑤方案輸出：針對擬合實(shí)驗形成的組網(wǎng)進(jìn)行微調(diào)和局部優(yōu)化，形成最終的方案及清單、涵蓋機(jī)房、管道、光纜等內(nèi)容。⑥具體實(shí)施：根據(jù)最終輸出方案進(jìn)行實(shí)施，形成網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的初步布局，目標(biāo)在3-5年內(nèi)的穩(wěn)定性，資源合理分布，有效利用。⑦后評估：評估實(shí)施后的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)情況與方案組網(wǎng)的一致性，評估實(shí)施后的成效，對以上方法進(jìn)行優(yōu)化。

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