光通信技術在有線網絡中的組網方案

張國強

（中國廣電山東網絡有限公司 聊城市分公司，山東 聊城 252000）

0 引言

現階段，光通信技術在有線網絡中逐步應用。為了充分適應中國廣電有線網絡系統的體系化設計思路，對接智能組網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絡組網方式。在系統設計中，信息網絡的構建發揮著重要作用。針對線纜布局、供配電網絡環境、傳輸路徑以及信號同步等因素造成的影響，信息網絡構建需要在以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）組網策略中進一步應對多要素、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建無源組網模式，進而全面實現由終端到節點、由節點到用戶的信號鏈接和由光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）以及光交箱等組成的星鏈狀網絡次生結構體。有線網絡自組網的基本思路是利用EPON 交匯信息流、資源流后，融入同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）機制實現自主式通信模式，并進一步完成智能信息處理、情況診斷、網絡運行狀態同步監測與遠程控制等[2]。

1 有線網絡的組網模式

環境架構、組網方式以及信號媒介的區別，直接導致自組網方案中存在諸多不確定因素。為了解決這一問題，需要在供/配電環境下構建多路多徑星鏈-網狀通信模式。對于星鏈-網狀的自組網模式，通過多次構建環組網，并結合兩路光纜線將環路所有節點的光媒介傳感設備進行串行連接，能夠有效實現站與站、點與點的互聯互通[3]。其中，重點是在有限資源的前提下找到串行連接的最優路徑。

2 基于光通信技術的有線網絡自組網方案

在綜合考慮性能、靈活度以及經濟效益等因素后，針對星鏈-網狀的環組網拓撲結構，本文提出一種新的基于光通信技術的EPON 組網模式[4]。組網模式的信號通路建設可以分為兩路：一路是OLT與信息通路鏈式節點網路中的多組光交箱設備共同構建為環組干線，另一路是ONU 與信息通路星狀節點網絡中的多組光交箱組成環組支線。通過主要干線與分支線共同實現通信節點快速融入信息通信網絡，通過環相輸出平臺對節點中可能存在的故障進行定位、排除，并利用其他節點中樞保證光通信的穩定持續，減少光媒介傳輸的損耗，降低材料使用的成本、建設難度等，使整個有線網絡自組網方案實現全局最優。

在有線網絡自組網方案設計中，項目建設成本同樣是技術實現的重要指標。目前，系統建設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絡建設成本[5]。在此基礎上，以系統成本最小作為數學建模的目標函數，即：

式中：CGL表示光纜成本，CGJX表示光交箱成本，CJS表示建設成本。

在基于光通信的EPON 組網設計中，光纜主要實現光交箱到信息網絡節點間的數據通信、支線匯入干線間的數據流轉以及OLT 與其他網絡的信息通信等功能，其支出費用可以表示為

式中：L1為光交箱到信息網絡節點的線纜長度，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α=1.2），β為線纜的采購價格。

在實際組網設計中，由于大部分實際環境的數學模型難以構建且實現路徑多樣，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。傳輸的損耗在目標函數中統一測算，不再單獨建模，即通常選取最小路徑值作為目標函數的實際建設參考值[6]：

式中：N是光交箱總數，j是對應的光交箱排序，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 的光通信設備，可以作為網絡傳輸下行數據的節點中樞，同時匯總數據并進行上行傳輸，也能夠同時接入多個移動節點和數據網端。其實際成本為[7]

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

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

3 有線網絡自組網實施流程與仿真分析

3.1 技術流程

有線網絡自組網實施技術流程主要包括以下5個步驟。

（1）確定建模過程所需數據，包括信息網絡結構的設計數據、站點建設的配置信息以及組網系統建設的穩定性指標參數等，并重點對光交箱的位置、數量進行初始化，即：

式中：P為配置集合，ip是第i個光交箱所在的位置參數信息。

（2）設置對應PSO 算法的初始運行參數，主要包括總粒子數（通常情況下圍繞建模的規模設置）、最大迭代次數（滿足收斂即可，設置過大會導致計算效率大幅下降）、學習因子（一般為2）以及動態權值分布（主要依據目標函數的優化層級隨機調節學習）。此外，PSO 算法的收斂速度也與隨機初始化的步態相關[9]。合理的動態權值可以改善PSO算法的計算性能和收斂速率，即：

式中：w表示動態權值，T表示算法初始至迭代收斂的實際次數，Gmax表示迭代次數的最大值。

（3）在充分考慮全局最優的前提下，計算最低成本值，即：

式中：fmin是目標函數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的速度，可以將逐次迭代的結果作為下次迭代的初始值，即將局部最優和全局最優進行拆解和比較，不斷優化調整參數設置和權值分配，并記錄下收斂過程和極值范圍[10]。

（5）依據數學建模中設置的收斂結束條件判斷算法是否結束迭代，否則繼續返回步驟（3）并開始循環計算。

3.2 仿真分析

仿真驗證中，設置w=0.8，Gmax=1 000，權值可以隨著迭代情況隨機調整。線纜采購單價為每千米5×107元，通過算法迭代后得出組網的最短使用路徑和最低建設成本。設計基于光通信技術有線網絡的組網方式，并通過與網絡拓撲結構進行比較得到不同的目標值，如圖1 所示。

圖1 支出成本與光交箱數的仿真曲線

從仿真結果可以看出：當N≤22，系統建設實際支出成本指數會出現明顯波動，會隨著光交箱數的增加而逐漸趨于穩定；當N＞43，支出實際成本不會隨著光交箱數的增加而變化。由此可知，N＝44 時，有線網絡組網所需要的建設成本最小。此時，基于光通信技術的網絡節點布局如圖2 所示。

圖2 的星狀布局，能夠有較提升通信系統應對突發事件的能力，快速構建基于網絡、基于體系的組網模式。光信號傳輸過程中能夠適應EPON 結構特點，信息通信組網效果最佳。

圖2 基于EPON 的自組網星狀布局仿真結果

4 結語

根據自組網建設的實際需求，本文構建基于經濟成本的有線網絡組網模型，并結合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經濟支出成本。該算法和模型對光通信技術在有線網絡組網中的應用具有較好的借鑒價值，有效完善了信息網絡的建設策略。