面向最短路徑的匯聚層光纜網(wǎng)規(guī)劃建設策略研究

趙汝威?陳超?伍坤怡

摘要：隨著傳送網(wǎng)匯聚機房規(guī)模增長，匯聚層光纜網(wǎng)逐漸從單平面環(huán)網(wǎng)向網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)演進。提出一種基于最短路徑理論的光纜規(guī)劃建設策略，通過深入分析匯聚設備組網(wǎng)特性和匯聚機房布局，尋找最優(yōu)的匯聚層光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以有效縮短光纜長度，提高光纜資源利用率。經(jīng)對比分析，該策略對城域傳送網(wǎng)的匯聚層光纜布局優(yōu)化具有實際應用價值。

關鍵詞：傳送網(wǎng)；匯聚層；光纜網(wǎng)；最短路徑

一、前言

隨著5G、大數(shù)據(jù)和云計算的發(fā)展，網(wǎng)絡規(guī)模擴大，匯聚機房數(shù)量增多，匯聚層設備結(jié)構(gòu)經(jīng)常調(diào)整，對匯聚層光纜網(wǎng)絡提出了挑戰(zhàn)。匯聚層光纜的特點在于直達性、距離較長，并且占用主干管道資源較多，而主干管道多位于城市中心街道，擴容難度較大。隨著2G、4G、5G的演進，傳輸設備組網(wǎng)經(jīng)歷了多次變革，疊加建設的匯聚層光纜導致路由重復和資源利用率低，不符合網(wǎng)絡效益最大化。因此，提前規(guī)劃匯聚層光纜布局至關重要，應向扁平化、通用化發(fā)展。本文提出基于最短路徑的建設策略，優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，支持向網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，確保網(wǎng)絡的可持續(xù)發(fā)展。

二、網(wǎng)絡現(xiàn)狀分析

（一）光纜與機房分層架構(gòu)

城域骨干傳送網(wǎng)光纜包括核心層光纜和匯聚層光纜，節(jié)點間主要采用直連方式建設。核心層光纜是核心節(jié)點之間的光纜，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。匯聚層光纜是匯聚節(jié)點與核心節(jié)點之間，以及匯聚節(jié)點之間的光纜，形成環(huán)節(jié)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[1-2]。

在當前移動通信運營商匯聚機房分層架構(gòu)中，分為重要匯聚、普通匯聚和業(yè)務匯聚機房，匯聚層光纜是連接核心機樓、重要匯聚機房與普通匯聚機房，以及普通、業(yè)務匯聚機房之間的光纜[3]。

匯聚機房規(guī)模情況：每縣區(qū)（縣級行政區(qū)）為2個重要匯聚機房，每2—4個相鄰的綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)至少含2個普通匯聚機房，城區(qū)每1—2個微網(wǎng)格至少含1個業(yè)務匯聚機房，郊縣每個綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)至少含2個業(yè)務匯聚或普通匯聚機房[3]。

（二）存在瓶頸分析

前期城域匯聚層光纜網(wǎng)絡的建設主要基于成環(huán)的匯聚層OTN（Optical Transport Network，光傳送網(wǎng)）、PTN（Packet Transport Network，分組傳送網(wǎng)）設備，這些設備主要部署在普通匯聚機房[4]，其節(jié)點數(shù)量對較少，從而使得匯聚層光纜結(jié)構(gòu)簡單。

然而，隨著5G業(yè)務和家庭寬帶雙千兆發(fā)展計劃的深入推進，業(yè)務匯聚機房的數(shù)量顯著增加。新增機房主要承載了BBU（Bandwidth Based Unit，基于帶寬的單元）、OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）和VC-OTN（Virtual Concatenation Optical Transport Network，虛級聯(lián)光傳輸網(wǎng)絡）等設備，導致了設備組網(wǎng)結(jié)構(gòu)不再局限于單平面環(huán)網(wǎng)模式。此外，由于匯聚機房的分布不均，傳統(tǒng)的匯聚層光纜網(wǎng)絡在支持多路由組網(wǎng)方面顯得力不從心。

文獻[ 5]提出一種針對二層匯聚光纜網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)規(guī)劃方案，僅考慮了OTN和PTN設備的組網(wǎng)需求，未能全面解決當前面臨的瓶頸問題。鑒于此，必須對匯聚層光纜網(wǎng)絡進行整體規(guī)劃，以尋求一個合理的解決方案。這個方案應能適應各種場景的需求，實現(xiàn)資源的高效統(tǒng)一復用，同時解決環(huán)型組網(wǎng)、V型組網(wǎng)、多路由組網(wǎng)等纖芯需求量大的問題。此外，方案還應該能夠有效避免因二次疊加或部分段落重復建設而導致的管道資源過度占用的問題。

（三）組網(wǎng)需求分析

匯聚機房主要部署了BNG（Broadband Network Gateway，寬帶網(wǎng)絡網(wǎng)關）、SPN（Slicing Packet Network，切片分組網(wǎng)）、SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）、OTN、PTN、VC-OTN以及OLT等關鍵設備[4]。其中，BNG通常部署在重要的匯聚機房內(nèi)，也可下沉部署在條件好的普通匯聚機房。OLT設備的部署更為廣泛，覆蓋了三類匯聚機房，且在“OLT-BNG”的組網(wǎng)中，常采用V型雙路由方式，這種方式在匯聚層光纜纖芯的占用上是最為密集的。其他設備則多采用環(huán)型組網(wǎng)方式，纖芯占用較少。因此，如何合理規(guī)劃每段光纜的芯數(shù)成為一個重要問題。本文以“OLT-BNG”的組網(wǎng)為基礎，探討匯聚層光纜建設的策略。

近年來，運營商提出了“五網(wǎng)改三網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略，旨在扁平化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)精簡為SPN、OTN、OLT等三張網(wǎng)絡。這一變化意味著單臺設備需要承載更多的業(yè)務量，從而對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的安全性提出了更高的要求。預計SPN和OTN的組網(wǎng)將增加至三路由或四路由的配置，要求匯聚機房的光纜路由設計必須采用物理多路由方式，以支持網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的演進。因此，如何合理規(guī)劃匯聚機房的多路由，成為本文研究的重點。

三、規(guī)劃建設策略

（一）業(yè)務區(qū)分層

在城市通信網(wǎng)絡規(guī)劃中，綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)的劃分是至關重要的。結(jié)合匯聚機房，對業(yè)務區(qū)進行分層管理。具體如下。

1.綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)

根據(jù)城市的行政區(qū)劃、地理形態(tài)和現(xiàn)有資源劃分接入?yún)^(qū)，業(yè)務密集的城區(qū)面積不大于3km2，一般城區(qū)面積不大于6km2，鄉(xiāng)鎮(zhèn)根據(jù)行政區(qū)劃合理劃分[6]。城區(qū)綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)內(nèi)至少有2個匯聚機房，鄉(xiāng)鎮(zhèn)至少有1個匯聚機房。

2.鄰近業(yè)務區(qū)

兩個綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)邊界相鄰，并且存在不跨越其他接入?yún)^(qū)的匯聚光纜路由，那么這兩個區(qū)域?qū)儆卩徑鼧I(yè)務區(qū)。

3.鄰近機房

同一個綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)內(nèi)的所有匯聚機房都被視為鄰近機房，鄰近業(yè)務區(qū)之間的匯聚機房也屬于鄰近機房。

4.業(yè)務區(qū)分層

以每個縣區(qū)的重要匯聚機房為基準點，其所在綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)被定義為第1層。然后，將鄰近的接入?yún)^(qū)定義為下一層，即第2層，以此類推，直到第k層。由于每個縣區(qū)通常會有兩個重要匯聚機房，因此，每個綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)都會有兩次分層標識。

（二）兩路獨立最短路徑

按照以下步驟求解“OLT-BNG1”和“OLT-BNG2”的雙路由組網(wǎng)最佳路由，并確保這兩路是獨立的最短路徑。

1.確定“OLT-BNG1”的最短路徑

選擇源點（OLT）到目標點（BNG1），使用最短路徑算法，如Dijkstra算法，計算OLT到BNG1的最短路徑。將計算出的路徑作為“OLT-BNG1”的第一條最短路徑。

2.處理已確定的最短路徑

將“OLT-BNG1”的最短路徑中的每段光纜鏈路的距離標識為無窮大，這在圖論中相當于刪除這些邊，確保后續(xù)的第二條路徑不會使用這些邊。

3.確定“OLT-BNG2”的最短路徑

選擇源點（OLT）到新的目標點（BNG2），重復第一步中的最短路徑算法，計算OLT到BNG2的最短路徑。由于之前已經(jīng)將“OLT-BNG1”的路徑中的邊標識為無窮大，因此這次計算出的路徑將不會與“OLT-BNG1”的路徑重合，確保了路徑的獨立性。將計算出的路徑作為“OLT-BNG2”的第二條最短路徑。

通過上述步驟，可以得到兩路獨立的最短路徑，即“OLT-BNG1”和“OLT-BNG2”的最佳路由。這種方法確保了兩條路徑之間沒有共享的光纜鏈路，從而提供了物理上的獨立性，增強了網(wǎng)絡的可靠性和容錯能力。

（三）規(guī)劃建設思路

1.光纜網(wǎng)目標結(jié)構(gòu)

為了規(guī)劃同一個縣區(qū)下不同綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)的匯聚機房光纜組網(wǎng)，規(guī)劃思路遵循以下要求：

（1）直連方式和路由選擇

第一，匯聚層光纜應采用直連方式建設，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)，優(yōu)先考慮最短路由。

第二，建設路由時應選擇安全性、穩(wěn)定性較高的路由，優(yōu)先考慮管道路由。

（2）匯聚機房光纜網(wǎng)模型

第一，每個匯聚機房至少有兩條物理路徑不同的出入局匯聚層光纜。

第二，與鄰近機房互聯(lián)，確定鄰近業(yè)務區(qū)數(shù)量為n，原則上該匯聚機房最多有n個直連物理路由，每個鄰近業(yè)務區(qū)最多只有一條鄰近機房匯聚層光纜，其他鄰近機房或路由經(jīng)過應該整合為一個路由。

第三，以4個鄰近業(yè)務區(qū)為例，最多規(guī)劃4個直連路由，如圖1所示。

（3）綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)內(nèi)機房互聯(lián)

第一，若一個綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)有兩個及以上機房，匯聚層光纜優(yōu)先采用最短路徑互聯(lián)。

第二，互聯(lián)光纜避免路由交叉。

（4）鄰近業(yè)務區(qū)機房互聯(lián)

第一，根據(jù)第2點模型原則，每個鄰近業(yè)務區(qū)最多只有一條鄰近機房匯聚層光纜。

第二，優(yōu)先采用最短路徑互聯(lián)，需滿足機房物理雙路由要求。

（5）光纜規(guī)劃順序

第一，業(yè)務區(qū)內(nèi)匯聚層光纜先內(nèi)后外。

第二，首先規(guī)劃第1層同一業(yè)務區(qū)下鄰近機房匯聚光纜，其次規(guī)劃第1層與第2層鄰近機房的光纜，以此類推，規(guī)劃第k-1至第k層鄰近機房的光纜。

基于上述5點，可以得到同一個縣區(qū)下所有匯聚機房的匯聚層光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。若有多路由需求，重復上述第3、4、5點可得到網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

2.光纜芯數(shù)建設策略

在規(guī)劃匯聚層光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)時，考慮到每個匯聚機房的雙路由需求，以及光纜纖芯的有效利用率，采取以下策略：

（1）纖芯占用計算

假定匯聚機房m個，對于每個匯聚機房，按照“兩路獨立最短路徑”規(guī)劃雙路由，形成2m個路由集。對路由集中相同路徑的匯聚層光纜段落纖芯求和，得到每段匯聚層光纜纖芯占用數(shù)。由于城區(qū)機房距離較近，主要是裸纖光纜承載，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)機房較遠是通過OTN設備進行收斂回傳，經(jīng)過OTN傳送的路由后半段路由集纖芯占用標識為0。

（2）纖芯規(guī)劃

根據(jù)運營商機房部署OLT要求，單個機房不能超過3臺OLT，因此每個匯聚機房一個路由最多占用6芯?？紤]OTN、VC-OTN、SPN、PTN以及SDH等5種匯聚設備組網(wǎng)為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，每類設備至少占用2芯。如果路由集中j段路由相同，則該段匯聚層光纜纖芯占用數(shù)為6j+10（1≤j≤m）。結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)工程建設實際情況，匯聚層光纜常用規(guī)格為96/144/288芯，纖芯占用率大于70%時預警擴容，規(guī)劃纖芯數(shù)為（6j+10）/70%，向上取整（96/144/288芯），一般應滿足5—10年的業(yè)務需求。

3.建設場景

在向匯聚層光纜網(wǎng)目標結(jié)構(gòu)演進的過程中，確實可能會遇到與現(xiàn)網(wǎng)光纜資源不符的場景。以下是針對兩種典型場景的建設策略：

場景1：新增匯聚機房

雙路由互聯(lián)優(yōu)先：首先完成新匯聚機房與鄰近機房的雙路由互聯(lián)建設，確保新機房的基本網(wǎng)絡連接需求得到滿足。

三路由及以上：在業(yè)務發(fā)展到一定程度，需要更多的路由時，再觸發(fā)額外的光纜建設，以滿足更高級別的網(wǎng)絡可靠性和容量需求。

割接現(xiàn)有光纜：對于現(xiàn)網(wǎng)中已建的匯聚層光纜經(jīng)過新機房的情況，如果纖芯利用率不高，應優(yōu)先考慮割接光纜接入新機房，可以通過整纜分段割接或只割接空閑纖芯來實現(xiàn)。

場景2：存量光纜優(yōu)化

符合目標結(jié)構(gòu)的光纜優(yōu)先割接：對于與匯聚層光纜網(wǎng)目標結(jié)構(gòu)相符的光纜，應優(yōu)先進行割接優(yōu)化，以提高匯聚機房光纜路由的豐富性和網(wǎng)絡的整體性能。

非鄰近業(yè)務區(qū)的直連光纜：對于那些與目標網(wǎng)結(jié)構(gòu)不相符的光纜，主要是非鄰近業(yè)務區(qū)的直連光纜，可以作為多路由的補充，以提高網(wǎng)絡的冗余和靈活性。

四、方案評估

對環(huán)網(wǎng)的二層匯聚光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)、最短路徑的匯聚層光纜網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)等三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對比，見表1。二層匯聚光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)通過分層建設和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，依靠設備進行業(yè)務收斂，適用于匯聚節(jié)點較少的場景?；谧疃搪窂降膮R聚層光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)有效降低建設成本，適用于所有設備組網(wǎng)場景，可拓展性強。全網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)雖然具備高可靠的組網(wǎng)能力，但網(wǎng)絡建設成本較高，資源利用率低。綜合考慮以上因素，最短路徑的匯聚層光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了一個平衡的選擇，它既能降低建設成本，又具有較強的可擴展性，能夠滿足未來演進發(fā)展的建設需求。

五、結(jié)語

深入探討了最短路徑的匯聚層光纜規(guī)劃建設問題。通過對實際場景研究，提出了一種高效的規(guī)劃策略。該策略在設計過程中，全面考慮了光纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)、傳輸距離、建設成本以及未來擴容需求等多個關鍵因素。經(jīng)對比分析，本策略有效優(yōu)化光纜布設路徑，降低了整體建設成本，同時也提高了網(wǎng)絡資源利用率，并展現(xiàn)了良好的可擴展性。

參考文獻

[1]李海明，董梅香.光纜網(wǎng)分層級架構(gòu)問題及應對策略[J].廣東通信技術(shù)，2023，43（08）：14-19.

[2]李震彪.城域傳輸光纜網(wǎng)規(guī)劃與管理[J].數(shù)字通信世界，2016（05）：43-43.

[3]林小杰.5G傳輸機房與原有機房資源同址建設分析與研究[J].廣東通信技術(shù)，2021，41（04）：18-20+25.

[4]朱明亮，鐘虎.面向5G的匯聚機房規(guī)劃與建設研究[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學院學報，2020，19（02）：1-3.

[5]張遠航.城域傳送網(wǎng)二層匯聚光纜網(wǎng)的應用研究[J].通訊世界，2018（04）：18-19.

[6]藍天果.面向一體化的“一張光纜網(wǎng)”規(guī)劃建設策略研究[J].通訊世界，2021（12）：46-48.

作者單位：中國移動通信集團廣東有限公司江門分公司

責任編輯：王穎振、周航