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

        2022-09-23 09:19:46張國強
        電聲技術(shù) 2022年7期
        關(guān)鍵詞:光通信有線線纜

        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)拓撲結(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)拓撲結(jié)構(gòu)進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。

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