光通信技術(shù)在有線網(wǎng)絡(luò)中的組網(wǎng)方案

張國強

（中國廣電山東網(wǎng)絡(luò)有限公司 聊城市分公司，山東 聊城 252000）

0 引言

現(xiàn)階段，光通信技術(shù)在有線網(wǎng)絡(luò)中逐步應(yīng)用。為了充分適應(yīng)中國廣電有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系化設(shè)計思路，對接智能組網(wǎng)模式的快速普及和推廣，本文基于光通信媒介探索廣電有線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式。在系統(tǒng)設(shè)計中，信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建發(fā)揮著重要作用。針對線纜布局、供配電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、傳輸路徑以及信號同步等因素造成的影響，信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需要在以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）組網(wǎng)策略中進(jìn)一步應(yīng)對多要素、多類別所帶來的差異[1]。EPON 通過以點帶面的方式利用光媒介構(gòu)建無源組網(wǎng)模式，進(jìn)而全面實現(xiàn)由終端到節(jié)點、由節(jié)點到用戶的信號鏈接和由光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）以及光交箱等組成的星鏈狀網(wǎng)絡(luò)次生結(jié)構(gòu)體。有線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)的基本思路是利用EPON 交匯信息流、資源流后，融入同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）機制實現(xiàn)自主式通信模式，并進(jìn)一步完成智能信息處理、情況診斷、網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)同步監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制等[2]。

1 有線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)模式

環(huán)境架構(gòu)、組網(wǎng)方式以及信號媒介的區(qū)別，直接導(dǎo)致自組網(wǎng)方案中存在諸多不確定因素。為了解決這一問題，需要在供/配電環(huán)境下構(gòu)建多路多徑星鏈-網(wǎng)狀通信模式。對于星鏈-網(wǎng)狀的自組網(wǎng)模式，通過多次構(gòu)建環(huán)組網(wǎng)，并結(jié)合兩路光纜線將環(huán)路所有節(jié)點的光媒介傳感設(shè)備進(jìn)行串行連接，能夠有效實現(xiàn)站與站、點與點的互聯(lián)互通[3]。其中，重點是在有限資源的前提下找到串行連接的最優(yōu)路徑。

2 基于光通信技術(shù)的有線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)方案

在綜合考慮性能、靈活度以及經(jīng)濟效益等因素后，針對星鏈-網(wǎng)狀的環(huán)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文提出一種新的基于光通信技術(shù)的EPON 組網(wǎng)模式[4]。組網(wǎng)模式的信號通路建設(shè)可以分為兩路：一路是OLT與信息通路鏈?zhǔn)焦?jié)點網(wǎng)路中的多組光交箱設(shè)備共同構(gòu)建為環(huán)組干線，另一路是ONU 與信息通路星狀節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的多組光交箱組成環(huán)組支線。通過主要干線與分支線共同實現(xiàn)通信節(jié)點快速融入信息通信網(wǎng)絡(luò)，通過環(huán)相輸出平臺對節(jié)點中可能存在的故障進(jìn)行定位、排除，并利用其他節(jié)點中樞保證光通信的穩(wěn)定持續(xù)，減少光媒介傳輸?shù)膿p耗，降低材料使用的成本、建設(shè)難度等，使整個有線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)方案實現(xiàn)全局最優(yōu)。

在有線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)方案設(shè)計中，項目建設(shè)成本同樣是技術(shù)實現(xiàn)的重要指標(biāo)。目前，系統(tǒng)建設(shè)的主體費用大致包括3 部分，即光纜支出成本、光交箱采購成本以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本[5]。在此基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)成本最小作為數(shù)學(xué)建模的目標(biāo)函數(shù)，即：

式中：CGL表示光纜成本，CGJX表示光交箱成本，CJS表示建設(shè)成本。

在基于光通信的EPON 組網(wǎng)設(shè)計中，光纜主要實現(xiàn)光交箱到信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信、支線匯入干線間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)以及OLT 與其他網(wǎng)絡(luò)的信息通信等功能，其支出費用可以表示為

式中：L1為光交箱到信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的線纜長度，L2為支線匯入干線的OLT 線纜長度，α為使用過程中的實際線纜消耗（通常情況下設(shè)α=1.2），β為線纜的采購價格。

在實際組網(wǎng)設(shè)計中，由于大部分實際環(huán)境的數(shù)學(xué)模型難以構(gòu)建且實現(xiàn)路徑多樣，因此本文建模求解過程主要考慮的是折角的距離計算方法，有利于快速解決實際問題。傳輸?shù)膿p耗在目標(biāo)函數(shù)中統(tǒng)一測算，不再單獨建模，即通常選取最小路徑值作為目標(biāo)函數(shù)的實際建設(shè)參考值[6]：

式中：N是光交箱總數(shù)，j是對應(yīng)的光交箱排序，CHj表示由第j條干線到OLT 線纜的實際長度。

對于光交箱而言，實際為鏈接OLT 和ONU 的光通信設(shè)備，可以作為網(wǎng)絡(luò)傳輸下行數(shù)據(jù)的節(jié)點中樞，同時匯總數(shù)據(jù)并進(jìn)行上行傳輸，也能夠同時接入多個移動節(jié)點和數(shù)據(jù)網(wǎng)端。其實際成本為[7]

式中：CS為單臺光交箱采購價。建模中還應(yīng)考慮管道鋪設(shè)問題。充分利用原始線路，可以有效降低成本，但增加了設(shè)計難度，而且不易靈活調(diào)整節(jié)點數(shù)和線路規(guī)劃等[8]。假設(shè)成本控制在合理范圍內(nèi)，實際建設(shè)費用可以表示為

式中：a為光交箱與OLT 之間實際建設(shè)費用，b為光交箱與ONU 之間實際建設(shè)費用，C為安裝費用。

3 有線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)實施流程與仿真分析

3.1 技術(shù)流程

有線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)實施技術(shù)流程主要包括以下5個步驟。

（1）確定建模過程所需數(shù)據(jù)，包括信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計數(shù)據(jù)、站點建設(shè)的配置信息以及組網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的穩(wěn)定性指標(biāo)參數(shù)等，并重點對光交箱的位置、數(shù)量進(jìn)行初始化，即：

式中：P為配置集合，ip是第i個光交箱所在的位置參數(shù)信息。

（2）設(shè)置對應(yīng)PSO 算法的初始運行參數(shù)，主要包括總粒子數(shù)（通常情況下圍繞建模的規(guī)模設(shè)置）、最大迭代次數(shù)（滿足收斂即可，設(shè)置過大會導(dǎo)致計算效率大幅下降）、學(xué)習(xí)因子（一般為2）以及動態(tài)權(quán)值分布（主要依據(jù)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化層級隨機調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)）。此外，PSO 算法的收斂速度也與隨機初始化的步態(tài)相關(guān)[9]。合理的動態(tài)權(quán)值可以改善PSO算法的計算性能和收斂速率，即：

式中：w表示動態(tài)權(quán)值，T表示算法初始至迭代收斂的實際次數(shù)，Gmax表示迭代次數(shù)的最大值。

（3）在充分考慮全局最優(yōu)的前提下，計算最低成本值，即：

式中：fmin是目標(biāo)函數(shù)所定義的成本極小值，j是OLT 排序，Lij是第i個光交箱到第j個OLT 的線纜長度，Lik是第i個光交箱到第k個ONU 的線纜長度。

（4）算法逐步迭代收斂。為了進(jìn)一步加快算法實現(xiàn)的速度，可以將逐次迭代的結(jié)果作為下次迭代的初始值，即將局部最優(yōu)和全局最優(yōu)進(jìn)行拆解和比較，不斷優(yōu)化調(diào)整參數(shù)設(shè)置和權(quán)值分配，并記錄下收斂過程和極值范圍[10]。

（5）依據(jù)數(shù)學(xué)建模中設(shè)置的收斂結(jié)束條件判斷算法是否結(jié)束迭代，否則繼續(xù)返回步驟（3）并開始循環(huán)計算。

3.2 仿真分析

仿真驗證中，設(shè)置w=0.8，Gmax=1 000，權(quán)值可以隨著迭代情況隨機調(diào)整。線纜采購單價為每千米5×107元，通過算法迭代后得出組網(wǎng)的最短使用路徑和最低建設(shè)成本。設(shè)計基于光通信技術(shù)有線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，并通過與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較得到不同的目標(biāo)值，如圖1 所示。

圖1 支出成本與光交箱數(shù)的仿真曲線

從仿真結(jié)果可以看出：當(dāng)N≤22，系統(tǒng)建設(shè)實際支出成本指數(shù)會出現(xiàn)明顯波動，會隨著光交箱數(shù)的增加而逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)N＞43，支出實際成本不會隨著光交箱數(shù)的增加而變化。由此可知，N＝44 時，有線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)所需要的建設(shè)成本最小。此時，基于光通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布局如圖2 所示。

圖2 的星狀布局，能夠有較提升通信系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件的能力，快速構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)、基于體系的組網(wǎng)模式。光信號傳輸過程中能夠適應(yīng)EPON 結(jié)構(gòu)特點，信息通信組網(wǎng)效果最佳。

圖2 基于EPON 的自組網(wǎng)星狀布局仿真結(jié)果

4 結(jié)語

根據(jù)自組網(wǎng)建設(shè)的實際需求，本文構(gòu)建基于經(jīng)濟成本的有線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模型，并結(jié)合PSO 算法對建模過程進(jìn)行仿真驗證，給出了光交箱的最佳布局配置方式和最優(yōu)經(jīng)濟支出成本。該算法和模型對光通信技術(shù)在有線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的應(yīng)用具有較好的借鑒價值，有效完善了信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)策略。