光通信技术在有线网络中的组网方案

张国强

（中国广电山东网络有限公司 聊城市分公司，山东 聊城 252000）

0 引言

现阶段，光通信技术在有线网络中逐步应用。为了充分适应中国广电有线网络系统的体系化设计思路，对接智能组网模式的快速普及和推广，本文基于光通信媒介探索广电有线网络组网方式。在系统设计中，信息网络的构建发挥着重要作用。针对线缆布局、供配电网络环境、传输路径以及信号同步等因素造成的影响，信息网络构建需要在以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）组网策略中进一步应对多要素、多类别所带来的差异[1]。EPON 通过以点带面的方式利用光媒介构建无源组网模式，进而全面实现由终端到节点、由节点到用户的信号链接和由光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、光网络单元（Optical Network Unit，ONU）以及光交箱等组成的星链状网络次生结构体。有线网络自组网的基本思路是利用EPON 交汇信息流、资源流后，融入同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）机制实现自主式通信模式，并进一步完成智能信息处理、情况诊断、网络运行状态同步监测与远程控制等[2]。

1 有线网络的组网模式

环境架构、组网方式以及信号媒介的区别，直接导致自组网方案中存在诸多不确定因素。为了解决这一问题，需要在供/配电环境下构建多路多径星链-网状通信模式。对于星链-网状的自组网模式，通过多次构建环组网，并结合两路光缆线将环路所有节点的光媒介传感设备进行串行连接，能够有效实现站与站、点与点的互联互通[3]。其中，重点是在有限资源的前提下找到串行连接的最优路径。

2 基于光通信技术的有线网络自组网方案

在综合考虑性能、灵活度以及经济效益等因素后，针对星链-网状的环组网拓扑结构，本文提出一种新的基于光通信技术的EPON 组网模式[4]。组网模式的信号通路建设可以分为两路：一路是OLT与信息通路链式节点网路中的多组光交箱设备共同构建为环组干线，另一路是ONU 与信息通路星状节点网络中的多组光交箱组成环组支线。通过主要干线与分支线共同实现通信节点快速融入信息通信网络，通过环相输出平台对节点中可能存在的故障进行定位、排除，并利用其他节点中枢保证光通信的稳定持续，减少光媒介传输的损耗，降低材料使用的成本、建设难度等，使整个有线网络自组网方案实现全局最优。

在有线网络自组网方案设计中，项目建设成本同样是技术实现的重要指标。目前，系统建设的主体费用大致包括3 部分，即光缆支出成本、光交箱采购成本以及网络建设成本[5]。在此基础上，以系统成本最小作为数学建模的目标函数，即：

式中：CGL表示光缆成本，CGJX表示光交箱成本，CJS表示建设成本。

在基于光通信的EPON 组网设计中，光缆主要实现光交箱到信息网络节点间的数据通信、支线汇入干线间的数据流转以及OLT 与其他网络的信息通信等功能，其支出费用可以表示为

式中：L1为光交箱到信息网络节点的线缆长度，L2为支线汇入干线的OLT 线缆长度，α为使用过程中的实际线缆消耗（通常情况下设α=1.2），β为线缆的采购价格。

在实际组网设计中，由于大部分实际环境的数学模型难以构建且实现路径多样，因此本文建模求解过程主要考虑的是折角的距离计算方法，有利于快速解决实际问题。传输的损耗在目标函数中统一测算，不再单独建模，即通常选取最小路径值作为目标函数的实际建设参考值[6]：

式中：N是光交箱总数，j是对应的光交箱排序，CHj表示由第j条干线到OLT 线缆的实际长度。

对于光交箱而言，实际为链接OLT 和ONU 的光通信设备，可以作为网络传输下行数据的节点中枢，同时汇总数据并进行上行传输，也能够同时接入多个移动节点和数据网端。其实际成本为[7]

式中：CS为单台光交箱采购价。建模中还应考虑管道铺设问题。充分利用原始线路，可以有效降低成本，但增加了设计难度，而且不易灵活调整节点数和线路规划等[8]。假设成本控制在合理范围内，实际建设费用可以表示为

式中：a为光交箱与OLT 之间实际建设费用，b为光交箱与ONU 之间实际建设费用，C为安装费用。

3 有线网络自组网实施流程与仿真分析

3.1 技术流程

有线网络自组网实施技术流程主要包括以下5个步骤。

（1）确定建模过程所需数据，包括信息网络结构的设计数据、站点建设的配置信息以及组网系统建设的稳定性指标参数等，并重点对光交箱的位置、数量进行初始化，即：

式中：P为配置集合，ip是第i个光交箱所在的位置参数信息。

（2）设置对应PSO 算法的初始运行参数，主要包括总粒子数（通常情况下围绕建模的规模设置）、最大迭代次数（满足收敛即可，设置过大会导致计算效率大幅下降）、学习因子（一般为2）以及动态权值分布（主要依据目标函数的优化层级随机调节学习）。此外，PSO 算法的收敛速度也与随机初始化的步态相关[9]。合理的动态权值可以改善PSO算法的计算性能和收敛速率，即：

式中：w表示动态权值，T表示算法初始至迭代收敛的实际次数，Gmax表示迭代次数的最大值。

（3）在充分考虑全局最优的前提下，计算最低成本值，即：

式中：fmin是目标函数所定义的成本极小值，j是OLT 排序，Lij是第i个光交箱到第j个OLT 的线缆长度，Lik是第i个光交箱到第k个ONU 的线缆长度。

（4）算法逐步迭代收敛。为了进一步加快算法实现的速度，可以将逐次迭代的结果作为下次迭代的初始值，即将局部最优和全局最优进行拆解和比较，不断优化调整参数设置和权值分配，并记录下收敛过程和极值范围[10]。

（5）依据数学建模中设置的收敛结束条件判断算法是否结束迭代，否则继续返回步骤（3）并开始循环计算。

3.2 仿真分析

仿真验证中，设置w=0.8，Gmax=1 000，权值可以随着迭代情况随机调整。线缆采购单价为每千米5×107元，通过算法迭代后得出组网的最短使用路径和最低建设成本。设计基于光通信技术有线网络的组网方式，并通过与网络拓扑结构进行比较得到不同的目标值，如图1 所示。

图1 支出成本与光交箱数的仿真曲线

从仿真结果可以看出：当N≤22，系统建设实际支出成本指数会出现明显波动，会随着光交箱数的增加而逐渐趋于稳定；当N＞43，支出实际成本不会随着光交箱数的增加而变化。由此可知，N＝44 时，有线网络组网所需要的建设成本最小。此时，基于光通信技术的网络节点布局如图2 所示。

图2 的星状布局，能够有较提升通信系统应对突发事件的能力，快速构建基于网络、基于体系的组网模式。光信号传输过程中能够适应EPON 结构特点，信息通信组网效果最佳。

图2 基于EPON 的自组网星状布局仿真结果

4 结语

根据自组网建设的实际需求，本文构建基于经济成本的有线网络组网模型，并结合PSO 算法对建模过程进行仿真验证，给出了光交箱的最佳布局配置方式和最优经济支出成本。该算法和模型对光通信技术在有线网络组网中的应用具有较好的借鉴价值，有效完善了信息网络的建设策略。