一种面向大规模用户接入的远距离无源光网(LR-PON)布局规划方法

摘要

本发明公开了一种面向大规模用户接入的远距离无源光网(LR-PON)布局规划方法，在LR-PON中由于引入了多阶光放大器对光信号进行功率补偿，可以实现更远距离、更大范围的光网络覆盖。以最小化网络成本为目标，保证全网连通性的同时，在目标区域内基于光网络单元、多个候选光放大器和多个候选分光器进行光纤覆盖。与传统的PON部署方法相比，本方案面向大规模用户接入，其架构中采用分光器三阶级联方式，拓扑结构应具有良好的可扩展性和空间灵活性，从而允许更多用户接入到网络中，极大的扩展了网络的规模和覆盖范围。本方法相对传统数学建模优化方案，降低了运算的时间复杂度，从而大大提高了工程计算的效率，有效地缩短了运算时间。

说明书

技术领域

本发明属于光纤通信网络领域，涉及远距离无源光网络（LR-PON）覆盖规划问题，述及LR-PON网络拓扑优化的快速启发式搜索求解方法，解决LR-PON快速灵活部署的布局规划问题。 

背景技术

远距离无源光网络（Long Reach Passive Optical Network,LR-PON），作为下一代PON技术，将传统PON的传输距离由20km延伸到100km，它将光接入网和城域网整合进一个系统，可以支持更大规模的用户接入和更远距离的光网络覆盖。由于有效的避免了外部设备的电磁干扰和雷电的影响，它减少了线路和和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性、使建网速度快，节省了实际光网络的部署成本。因此LR-PON网络作为一种新兴的覆盖最后一公里的宽带接入光纤技术，为实现“光进铜退”“光纤到户”及未来大规模固定云计算用户接入等提供了可靠的技术支持。 

在实际无源光网领域内,光网络单元ONU（Optical Network Unit，ONU）是光纤接入的终端设备，它与光线路终端OLT（Optical Line Terminal，OLT）配合使用，OLT一般设置在机房内，而ONU根据实际的生活需要设置在家庭内或者楼道内。 

现有技术中关于PON的组网方法，只是分别针对于光纤传输或网络容量进行独立的建模分析，无法保证在远距离大规模用户光纤接入的同时，有效的增加网络的覆盖范围和光网络单元ONU的容量，兼顾传输距离和网络规模，在对多用户区域进行远距离服务时也无法有效地补偿信号在传输过程中所造成的损耗。另一方面，现有技术普遍是采用建模后通过优化软件进行优化，工程信息处理量大，运算复杂度随网络规模增加而呈指数级增长趋势，因此对计算机硬件要求苛刻，工程求解时间不可估计，且采用建模及机械式的优化方案，优化结果往往不能与实际情况相结合，理论与实际有偏差。 

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种面向大规模用户接入的远距 离无源光网(LR-PON)布局规划方法，包括如下步骤： 

步骤1：初始化：在目标区域内设定多个光网络单元、多个候选光放大器和多个候选分光器并对其进行顺序编号，根据光网络单元、候选光放大器和候选分光器的实际经纬度位置以光线路终端为原点建立二维坐标图，并计算光网络单元、候选光放大器和候选分光器三者之间的距离，并将该距离值存储； 

步骤2：实现三阶分光器级联：将光网络单元与其最近的候选分光器连接，将上述候选分光器定义为一阶分光器；以正方形区域对光网络单元进行最小完全覆盖，作为网络覆盖区域，选取网络覆盖区域的几何中心为原点，以网络覆盖区域边长的四分之一为初始半径建立中心区域，将中心区域外的一阶分光器与中心区域内与其最近的候选分光器连接，并将上述候选分光器定义为二阶分光器；计算上述全部二阶分光器坐标的平均值，选取距该平均值坐标最近的候选分光器作为三阶分光器，将二阶分光器与三阶分光器连接； 

步骤3：实现二阶光放大器级联：从光网终端出发，在满足光放大器最小间距门限值的条件下选择距光网终端最近的候选光放大器作为一阶光放大器；满足光放大器最小间距门限值的条件下，选择距一阶光放大器和三阶分光器距离和最小的候选光放大器作为二阶光放大器，并将二阶光放大器与三阶分光器连接； 

步骤4：计算链路损耗值，判断是否添加光放大器：统计各阶分光器的输出链路数，计算每条由光网络单元至光网终端链路传输损耗值，如果损耗值大于设定的最高损耗门限值，则在二阶分光器和三阶分光器之间查找距二者距离和最小的候选光放大器，并将该候选光放大器分别与二阶分光器和三阶分光器连接；如果损耗值小于该门限值，则无需增加光放大器； 

步骤5：输出无源光网(LR-PON)布局的规划方案：将目标区域内的光网络单元、选中的各阶光放大器和各阶分光器及其对应的网络连接在二维坐标中进行画图标识；分别输出各条由光网络单元至光网终端链路的距离值和损耗值；输出网络部署总成本和程序运行时间，将输出的二维坐标网络连接方案设定为该LR-PON的布局规划方案。 

步骤2中：将光网络单元与其最近的候选分光器连接后，如果该候选分光器的输出链路数小于一阶分光器的最小输出链路数门限值，则对与其连接的光网络单元进行次优路径选择，将所述光网络单元与其最近的一阶分光器连接。 

步骤2中：将中心区域外的一阶分光器与中心区域内与其最近的候选分光 器连接后，如果该候选分光器的输出链路数小于二阶分光器的最小输出链路数门限值，则对与其连接的一阶分光器进行次优路径选择，将所述一阶分光器与其最近的二阶分光器连接。 

所述一阶分光器的最小输出链路数门限值与所述二阶分光器的最小输出链路数门限值不同。 

步骤3中：光放大器间距门限值根据网络部署的实际情况设定。 

本发明的有益效果如下： 

1.与传统的PON组网方法相比，由于PON架构中没有光放大器，而本方案的网络架构中采用分光器多阶级联方式，拓扑结构应具有良好的可扩展性和空间灵活性，故多阶光放大器的选址也纳入本方案的布局规划考虑中，从而允许更多的用户接入到网络中，极大的扩展了网络的规模和覆盖范围； 

2.本发明提供的一种面向大规模用户接入的远距离无源光网(LR-PON)布局规划方法，相对传统数学建模优化方案，降低了运算的复杂度，有效地缩短了运算时间，从而大大提高了工程计算的效率，尤其是解决了传统方法依赖优化工具对于大规模网络部署难以求解的难题，特别适合大规模用户接入的场景；且计算结果与优化软件获得的最优解相比，本方法可以快速有效的获得次优解。 

因此，采用本发明的方法对于大规模用户接入远距离无源光网可以快速获得其合理的布局规划方案。 

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本发明面向大规模用户接入的远距离无源光网(LR-PON)布局规划方法的流程示意图。 

图2为本发明实施例的示意图。 

图3为本发明实施例的示意图。 

图4为本发明实施例的示意图。 

图5为本发明实施例的示意图。 

图6为本发明实施例的示意图。 

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述： 

下面对本发明中出现的名词术语及附图中的特殊名称加以说明。图中： 

一阶分光器Splitter：指直接与光网络单元ONU相连的分光器； 

二阶分光器：指直接与一阶分光器相连的分光器； 

三阶分光器：指与二阶分光器相连的分光器； 

一阶光放大器：指与OLT相连的光放大器； 

二阶光放大器：指与三阶分光器相连的光放大器； 

网络覆盖区域：以正方形区域对光网络单元进行最小完全覆盖所得到的区域； 

中心区域：为实现二、三阶分光器Splitter的候选区域定位，以网络覆盖区域的几何中心为原点，网络覆盖区域边长的四分之一为初始半径建立圆形区域； 

实施例： 

如图1所示：LRPON布局规划方法具有如下步骤： 

步骤1：初始化：首先通过实际的勘测选定目标区域，在目标区域内设定多个光网络单元、多个候选光放大器OA和多个候选分光器Splitter，根据其位置的实际经纬度，以光线路终端OLT为原点建立二维坐标图，此时光网络单元ONU、多个候选光放大器OA和多个候选分光器Splitter依据其实际经纬度位置落入该二维坐标图内。按光网终端OLT、候选光放大器OA、候选分光器Splitter最后光网络单元ONU的顺序统一排列后依次编号，并分别计算在二维坐标图内光网络单元ONU、候选分光器和候选光放大器OA三者之间两两的距离值，并将该距离值存储起来。根据实际部署场景，设定布局规划参数，包括：一阶分光器最小输出链路数门限值、二阶分光器的最小输出链路数门限值、分光器最远传输距离门限值、光放大器最小间距门限值、光放大器最远传输距离门限值以及最大路径损耗门限值。 

步骤2：实现三阶分光器级联，将光网络单元ONU与其距离最近的候选分光器连接，连接后，查看这些被光网络单元ONU连接的分光器的输出链路数，将大于一阶分光器的最小输出链路数门限值的分光器定义为一阶分光器；如果上述被光网络单元ONU连接的分光器的输出链路数小于一阶分光器的最小输出链路数门限值，则将与其连接的光网络单元ONU断开，将这些光网络单元ONU与 符合输出链路数条件的一阶分光器相连接。依照最短距离原则，即将上述断开的光网络单元ONU与其最近的一阶分光器相连接。达到了对光网络单元ONU进行次优路径选择的结果。如上所述的方法最终选定的候选分光器定义为一阶分光器。如图2和图3所示，光放大器集合P^OA={P^OA1,P^OA2…P^OA6}，分光器集合P^SP={P^SP1,P^SP2…P^SP15}，光网络单元集合P^ONU={P^ONU1,P^ONU2…P^ONU20}。将所有光网络单元ONU依据最短距离原则连接至P^SP1、P^SP7、P^SP8、P^SP9、P^SP10和P^SP14。但是经过数据分析判断后，P^SP1、P^SP9和P^SP14这三个候选分光器的输出链路数小于一阶分光器的最小输出链路数，因此将P^SP1、P^SP9和P^SP14这三个候选一阶分光器上连接的光网络单元ONU连接至其他一阶分光器上，并且选择与其最近距离的一阶分光器相连接。如图2所示：将这三个候选一阶分光器P^SP1、P^SP9和P^SP14上连接的光网络单元ONU连接至与其最近的P^SP7、P^SP8和P^SP10，并将P^SP7、P^SP8和P^SP10设为一阶分光器。 

以网络覆盖区域的几何中心为原点，网络覆盖区域边长的四分之一为初始半径建立中心区域；按照最短距离原则将该中心区域外的一阶分光器与中心区域内的候选分光器连接。如果被连接的候选分光器的输出链路数小于二阶分光器的最小输出链路数门限值，则对上述一阶分光器进行次优路径选择，即将一阶分光器与其距离最近的候选分光器相连接，将上述被连接的分光器定义为二阶分光器。如图4和图5所示，以网络覆盖区域的几何中心为原点，网络覆盖区域边长的四分之一为初始半径建立中心区域后，将一阶分光器P^SP7连接至中心区域内最近的P^SP5，P^SP8和P^SP10连接至最近的P^SP15，然后判断P^SP5和P^SP15这两个候选分光器的输出链路数是否大于二阶分光器的最小输出链路数门限值，由于P^SP5的输出路径数小于二阶分光器的最小输出链路数门限值，则对P^SP5上连接的一阶分光器P^SP7进行次优路径选择，将P^SP7连接在与其最近的P^SP15上，并将P^SP15定义为二阶分光器。 

计算上述选定的二阶分光器的坐标的平均值，即计算出所有二阶分光器坐标的坐标值得平均值，选取距该平均值坐标最近的候选分光器作为三阶分光器，将二阶分光器与三阶分光器连接。经过上述的连接，将一阶分光器与二阶分光器连接，二阶分光器与三阶分光器连接,最终形成由中心向四周发散而出的三阶级联分光器结构。三阶级联结构一方面可以扩大网络规模，另一方面易于实现点至多点的扩展连接，具有良好的可扩展性和空间灵活性。 

如图6所示，在本实施例中，P^SP15坐标的平均值为其自身坐标，故选择距 离其最近的P^SP4为三阶分光器。 

步骤3：实现二阶光放大器级联。从光网终端OLT出发，在满足距光放大器OA距离值的条件下选择与光网终端OLT最近的候选光放大器OA作为一阶光放大器，如图6所示，根据实际要求，设置从光网终端OLT到光放大器OA的距离值，在满足大于该距离值的条件下，将光网终端OLT与其最近的光放大器OA连接，并将该光放大器OA作为一阶光放大器。根据实际要求设定光放大器OA之间的最小间距门限值前提下，选择距一阶光放大器和三阶分光器距离和最小的候选光放大器OA作为二阶光放大器，并将二阶光放大器与三阶分光器连接。如图6中，从OLT出发，选择距OLT的距离大于预先设定的OLT-OA最小距离（如20公里）且与OLT最近的P^OA3作为一阶光放大器，满足根据实际要求设定的光放大器间的间距值的前提下，选择距P^OA3（一阶光放大器）和P^SP4（三阶分光器）距离和最小的候选光放大器OA作为二阶光放大器,并将P^OA2与三阶分光器连接，即P^OA2与P^SP4连接。 

步骤4：计算链路损耗值，判断是否添加光放大器：统计各阶分光器的输出链路数，计算每条由光网络单元至光网终端链路的损耗值，如果损耗值大于设定的最高损耗门限值，则在二阶分光器和三阶分光器之间查找距二阶分光器和三阶分光器距离和最小的候选光放大器，并将该候选光放大器分别与二阶分光器和三阶分光器连接；如果损耗值小于最高损耗门限值，则无需增加光放大器；例如经过计算光网终端OLT至光网络单元ONU的输出链路信号的损耗值后，如果该损耗值大于最高损耗门限值，则在可在P^SP4和P^SP15之间选择候选光放大器OA。如果该损耗值小于最高损耗门限值则不需添加候选光放大器OA。 

步骤5：输出无源光网(LR-PON)布局的规划方案：统计目标区域内的输出链路方案以及对应的光网络单元、各阶光放大器和各阶分光器的编号；每条由光网络单元至光网终端链路的距离值和损耗值以及程序运行时间，将统计出的输出链路方案设定为该无源光网路径规划方案。 

对于大规模的LRPON部署方法，采用传统优化软件通常难以求解，或者即使能够求解却耗时过长，而采用本发明提供的方法效率得到显著的提高，且计算结果与优化软件优化结果相比，二者差距在可接受的范围内，即可以获得次优解。对比结果如表一所示，表一为小规模网络规划方案的测试数据，这里对比的传统方案均采用著名的Gurobi整数线性优化软件进行求解。可以看出利用本发明得到的网络规划方案，其网络部署成本相对于传统建模优化得到的理论 最优解，二者差距在10%之内，且光放大器OA和分光器splitter最终选用的数目与理论最优方案接近；而从方案计算时间角度分析，可以看出本发明公开的技术方案的运行时间相对于传统建模优化方案得到了大大的缩短，且随着网络规模不断扩大，这一优势更为突出的显现出来。为减少货币转换，表中gcu为通用成本单元(generic cost unit)，是本发明实例中为简化网络部署成本计算和比较而设定的统一成本单位。 

表一： 

表二显示，当扩大网络规模时，传统的建模优化方案已经难以求解，存在以下原因： 

1.网络规模的扩大，使模型中变量及约束条件的数量呈指数级增长； 

2.对计算机硬件的配置要求过高，尤其是需要足够大的内存空间保证优化软件运行计算； 

3.模型运算复杂，运行时间超出可接受的时间范围； 

而此时本发明公开的技术方案依然可以快速的求得布局规划方案。由于大规模网络传统的建模优化已无法直接求解，故选择本发明方案与传统方案联合使用的模式，即先通过本发明方案快速优化后的结果作为初始解，再利用传统方案进一步优化近似求得理论最优值，并使其与本发明方案独立求解的结果相比较，可以清晰的看出，网络部署成本依然可以保持在可接受的成本预算范围内，而本方案的运行时间有着绝对的优势，从而能在最短时间内对大规模远距离无源光网络规划提供可行的优质方案。对比结果如表二所示： 

表二： 

本发明公开的LRPON布局规划方法能够在保证求得次优解的情况下计算效率显著提高，解决了传统方法依赖优化工具对于大规模网络部署难以求解的难题，特别适合大规模用户光纤接入的场景，该LRPON布局规划方案具有长距离覆盖、大规模、支持高速率、可靠接入的特点。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。