CN102946573A - 一种无源光网络的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源光网络的优化方法，按如下步骤进行：(1)已知在一个PON中，有1个OLT、1个Splitter和N个ONU，已知OLT的位置坐标为x₀和y₀，每个ONU的位置坐标为x_i和y_i；此外，PON中，能使用的波长有K个，波速为R_k；所需的带宽要求在每个时间段后增长α；(2)建立目标函数：

目标函数(1)中，第一部分表示所有ONU的成本；第二部分

表示OLT的成本；第三部分

表示Splitter连接OLT和所有ONU的光纤链路的成本和铺设光纤的人工成本；得出波长和波速的最优分配以及splitter的最优位置。本发明建立了一个最小PON成本的整数线性规划模型，得出波长和波速的最优分配以及Splitter的最优位置，并满足不断增长的业务量。

Description

一种无源光网络的优化方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及的是一种对无源光网络的波长和波速进行分配以及对光分路器（Splitter）位置进行优化的方法。

背景技术

随着全光网络时代的到来，同时伴随着经济的飞速发展和信息化程度的不断提高，人们对于视频点播、视频会议、高清电视、在线学习以及互动游戏等高带宽业务需求呈爆炸式增长，优化无源光网络技术便成了国内外探讨、研究的热点。同时，在现代社会，人工劳动力也变得越来越昂贵了。因此，考虑到成本等因素，对于无源光网络（Passive Optical Network，PON）进行多方面的优化显得越来越重要了。PON系统主要由局端的光线路终端(Optical LineTerminal，OLT)、光分配网络(Optical Distribution Network，ODN)和用户端的光网络单元(Optical Network Unit，ONU)组成；如图1所示。

鉴于上述现状，公开文献[1][2]对PON的优化进行了深入研究。但是各自存在以下缺点：

在文献[1]中，作者对PON容量的升级采用的是WDM技术，虽然能够满足很多客户的需求，但这是以使用新的波长为代价的，这将增加PON中因使用新的波长和波速而增加新的接收机的成本。

在文献[2]中，作者研究了如何满足每个ONU日益增长的业务需求，但是，其没有考虑Splitter位置的优化，Splitter的位置将影响其连接OLT和每个ONU的距离之和，因此，将影响光纤链路的成本和铺设光纤的劳动力成本。

参考文献：

[1]J.Zhang,N.Ansari,Y.Luo,F.Effenberger,and F.Ye:Next-generation PONs:APerformance Investigation of Candidate Architectures for Next-generation AccessStage 1.IEEE Commun.Mag(2009),vol.46,no.8,pp.49–5.

[2]Marilet De Andrade,Massimo Tornatore,SebastiàSallent,and BiswanathMukherjee:Capacity Upgrade of Passive Optical Networks with Minimum Cost andSystem Disruption.International Conference on High Performance Switching andRouting(2010),pp.197-202.

发明内容

本发明的目的是建立一个最小PON成本的整数线性规划模型，以满足不断增长的业务量。经过对PON中波长和波速的最优分配，以致使用的波长数目最少和波速最低，便可减少接收机的成本；另外，得到Splitter的最优位置，便可减少PON中的光纤链路的成本和铺设光纤的人工成本，从而来降低PON的成本。

本发明采取以下技术方案：一种无源光网络的优化方法，其按如下步骤进行：

(1)已知在一个PON中，有1个OLT、1个Splitter和N个ONU，已知OLT的位置坐标为x₀和y₀，每个ONU的位置坐标为d_i和y_i；此外，PON中，可以使用的波长有K个，波速为R_k；由于每年用户业务量的增长，所需的带宽要求在每个时间段后增长α；

(2)以ONU和OLT为使用新的波长和波速而安置新的接收机产生的成本以及Splitter连接OLT和ONU的光纤链路的成本和铺设光纤的人工成本为目标，用户的带宽需求每经过一个时间段后增长α，为了既能满足每个用户的业务带宽要求，同时也能满足目标的最小化，即整个PON的成本，得出波长和波速的最优分配以及Splitter的最优位置。

目标函数：

$\min (\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{i,k,j}{p}_{i,k,j}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{k,j}{c}_{k,j}+(\mathrm{\γ}+\mathrm{\θ})(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{(x_i-x_s)}^2+{(y_i-y_s)}^2}+\sqrt{{(x_s-x_0)}^2+{(y_s-y_0)}^2})---\left(1\right)$

上述目标函数中，第一部分表示所有ONU的成本。

第二部分

表示OLT的成本。

第三部分 $(\mathrm{\γ}+\mathrm{\θ})(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{(x_i-x_s)}^2+{(y_i-y_s)}^2}+\sqrt{{(x_s-x_0)}^2+{(y_s-y_0)}^2})$ 表示Splitter连接OLT和所有ONU的光纤链路的成本和铺设光纤的人工成本。

约束条件：

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k,j}\≤1,\∀j\∈L---\left(2\right)$

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{i,k,j}=1,\∀i\∈N---\left(3\right)$

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{i,k,j}{R}_k\≥B_i{(1+\mathrm{\α})}^n,\∀i\∈N---\left(4\right)$

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_k{c}_{k,j}\≥\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{(1+\mathrm{\α})}^n{p}_{i,k,j},\∀j\∈L---\left(5\right)$

约束条件(2)表示在同一个波长上只能有一种波速。

约束条件(3)表示在第i个ONU中只能用一个波长和一种相应的波速。

约束条件(4)表示在每个时间段内每个ONU的带宽需求都必须得到满足。

约束条件(5)表示整个PON中所有用到波长j的ONU的带宽需求总和小于等于波长j的波速。

文中提到的符号说明如下：

K：无源光网络中波长的集合，也就是{1,2，...,K}。

N：无源光网络中所有ONU的集合，也就是{1,2，...,N}。

L：无源光网络中所能用到的波长，也就是{1,2，...,L}。

R_k：第k个波速的值，单位Mbps，k∈K。{R₁,R₂，...,R_k，...},k∈K代表所有波速的集合。

θ：单位长度光纤的成本。

γ：铺设单位长度光纤的成本。

x₀：PON中OLT的横坐标。

y₀：PON中OLT的纵坐标。

x_i：第i个ONU的横坐标。

y_i：第i个ONU的纵坐标。

α：业务量增长的系数。随着业务量的增长，每个ONU提供的带宽也要随之等量增长。

n：时间段的个数。

变量：

p_i，k，j：假如在第i个ONU中用到波长j，波速k，那么p_i，k,j=1，否则为0。

c_k,j：假如在波长j上用到波速k，那么c_k,j=1，否则为0。

T_k,j：在OLT中，用到波长j，波速k的成本。

U_i，k，j：在ONU中，用到波长j，波速k的成本。

x_s：光分路器的横坐标。

y_s：光分路器的纵坐标。

本发明通过对整数线性规划模型的求解，得到PON中波长和波速的最优分配和Splitter的最优位置。该模型不仅能够减少PON中接收机的成本，还能节约连接Splitter与OLT、每个ONU的光纤链路和铺设光纤的人工成本，从而来获得最小的PON成本。

附图说明

图1是PON的系统图。

具体实施方式

下面结合附表对本发明实施例作进一步说明。

在本实施例中，假设在PON中有1个OLT和20个ONU，且PON中提供的最大波长信道数目为5，波长信道的波速是10Gbps和40Gbps，且每个时段后业务量增长50%，即α=0.5。在PON中有15座大厦，即ONU 1-ONU 15，5个家庭用户，即ONU15-ONU20；在时段1中，初始带宽是ONU1-ONU15：600Mbps，ONU15-ONU20：100Mbps，所用到的波长信道数目1个，使用波长为λ₁。

为了减少光纤链路的成本和铺设光纤的人工成本，由模型优化仿真得到Splitter的最优位置为：x_s=3.535981 y_s=22.98797。

由模型优化仿真得到了波长和波速的最优分配，如表1中所示。在PON中，使用新的波长或波速就要求增加或更换接收机。对任意ONU而言，在能满足用户带宽需求的条件下，为了减少接收机成本，应该充分利用已有的接收机资源；即：在时段n-1中，ONU i使用波长λ_j和波速R_k来满足其带宽需求，那么在时段n中，ONU i重复使用波长λ_j和波速R_k就节省了接收机成本。同理，对OLT而言，如果有任意的ONU在前面的时段中用到了波长λ_j和波速R_k，那么后面的时段中有ONU再次用到波长λ_j和波速R_k时，也就不需要增加或是更换接收机；反之，如果任意的ONU在后面的时段中使用到新的波长或波速，就需要支付增加接收机或更换接收机的成本。

表1

(xi,yi)

时段1

时段2

时段3

时段4

时段5

ONU 1

(11,15)

λ1 *

λ2

λ2

λ2

λ2

ONU 2

(15,26)

λ1

λ2

λ2

λ2

λ2

ONU 3

(17,64)

λ1

λ2

λ2

λ2

λ2

ONU 4

(64,25)

λ1

λ2

λ2

λ2

λ5

ONU 5

(39,28)

λ1

λ2

λ2

λ3

λ3

ONU 6

(54,17)

λ1

λ1

λ2

λ3

λ3

ONU 7

(78,10)

λ1

λ1

λ2

λ4

λ4

ONU 8

(10,75)

λ1

λ1

λ3

λ3

λ3

ONU 9

(88,33)

λ1

λ1

λ3

λ3

λ5

ONU 10

(16,23)

λ1

λ1

λ1

λ4

λ4

ONU 11

(82,40)

λ1

λ1

λ1

λ4

λ4

ONU 12

(71,31)

λ1

λ1

λ1

λ1

λ5

ONU 13

(23,90)

λ1

λ1

λ1

λ1

λ5

ONU 14

(32,18)

λ1

λ1

λ1

λ1

λ1

ONU 15

(26,29)

λ1

λ1

λ1

λ1

λ1

ONU 16

(27,39)

λ1

λ1

λ1

λ1

λ1

ONU 17

(33,36)

λ1

λ1

λ1

λ1

λ1

ONU 18

(41,46)

λ1

λ1

λ1

λ1

λ1

ONU 19

(57,38)

λ1

λ1

λ1

λ1

λ1

ONU 20

(43,14)

λ1

λ1

λ1

λ1

λ1

^*注释：λ_j表示ONU用波长λ_j，波速10Gbps来满足其带宽要求；加粗的λ_j表示ONU使用波长λ_j，波速40Gbps来满足其带宽要求，如λ₅。

在表1中，时段1中每个ONU的波长和波速分配是已知的初始化条件，使用波长λ₁，且波速10Gbps，即10000Mbps。由于每经历一个时段业务量增长50%，即ONU的带宽也要增加50%，所以在时段2仅使用波速为10Gbps的λ₁已经不能满足所有ONU的带宽需求，即：需要增加新的波长λ₂，使其与波长λ₁一起来共同满足所有用户带宽的需求。从运行结果可知，至少需要5个ONU（即ONU1-ONU5）要用到新的波长λ₂，波速为10Gbps。此外，为了减少安装使用新的接收机的成本，应该尽量使用时段1中已使用的波速为10Gbps的λ₁；从运行结果可知，ONU6-ONU20依然使用了波速为10Gbps的λ₃，该结果和前面的理论分析相一致。同理，在时段3中，业务量继续增长50%，此时至少需要2个ONU（即ONU8-ONU9）使用新的波长λ₃，波速10Gbps来满足用户的带宽需求。为了减少接收机成本，应该尽量使用时段2中已使用的波速为10Gbps的λ₁和λ₂。由优化结果可知，在满足业务需求的条件下，ONU1-ONU7依然使用了波速为10Gbps的λ₂，ONU10-ONU20使用波速为10Gbps的λ₁。类似的，在时段4中，业务需求比时段3中增长50%，为了满足用户的带宽要求，至少需要3个ONU（即ONU8-ONU9）使用新的波长λ₄，波速10Gbps。为了节约接收机成本，应该尽量使用已有的接收机，由运行结果可得，ONU1-ONU4依然使用了波速为10Gbps的λ₂，ONU8-ONU9使用波速为10Gbps的λ₃，ONU12-ONU20使用波速为10Gbps的λ₁。在时段5中，随着业务需求比时段4中增长了50%，使用波速为10Gbps的波长已经不能满足用户的带宽需求了。此时至少4个ONU（即ONU4，ONU9，ONU12，ONU13）需要使用波长λ₅，波速为40Gbps。为了减少接收机成本，从优化结果可看出，ONU1-ONU3依然使用了波速为10Gbps的λ₂，ONU5-ONU6和ONU8使用波速为10Gbps的λ₃，ONU7和ONU10-ONU11使用波速为10Gbps的λ₄，ONU14-ONU20使用波速为10Gbps的λ₁。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.考虑PON的成本因素更加全面，既考虑了接收机成本，又考虑了光纤链路成本和铺设施工成本。

2.灵活性高，方便网络升级和扩容。PON中的很多数值在本模型中都是参数化设置，可以改变的，例如，每个时段用户带宽需求的增加量、ONU的数目、位置和时段的个数等等是可以改变的，即可以根据网络当前的实际情况做出适当调整，便于网络的升级和扩容。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无源光网络的优化方法，其特征是按如下步骤进行：

(1)已知在一个PON中，有1个OLT、1个Splitter和N个ONU，已知OLT的位置坐标为x₀和y₀，每个ONU的位置坐标为x_i和y_i；此外，PON中，能使用的波长有K个，波速为R_k；所需的带宽要求在每个时间段后增长α；

(2)建立目标函数：

$\min (\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{i,k,j}{p}_{i,k,j}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{k,j}{c}_{k,j}+(\mathrm{\γ}+\mathrm{\θ})(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{(x_i-x_s)}^2+{(y_i-y_s)}^2}+\sqrt{{(x_s-x_0)}^2+{(y_s-y_0)}^2})---\left(1\right)$

上述目标函数(1)中，第一部分

表示所有ONU的成本；

第二部分

表示OLT的成本；

第三部分 $(\mathrm{\γ}+\mathrm{\θ})(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{(x_i-x_s)}^2+{(y_i-y_s)}^2}+\sqrt{{(x_s-x_0)}^2+{(y_s-y_0)}^2})$ 表示Splitter连接OLT和所有ONU的光纤链路的成本和铺设光纤的人工成本；

得出波长和波速的最优分配以及Splitter的最优位置。

2.如权利要求1所述的无源光网络的优化方法，其特征是：

第(2)步的约束条件：

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k,j}\≤1,\∀j\∈L---\left(2\right)$

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{i,k,j}=1,\∀i\∈N---\left(3\right)$

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{i,k,j}{R}_k\≥B_i{(1+\mathrm{\α})}^n,\∀i\∈N---\left(4\right)$

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_k{c}_{k,j}\≥\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{(1+\mathrm{\α})}^n{p}_{i,k,j},\∀j\∈L---\left(5\right)$

约束条件(2)表示在同一个波长上只能有一种波速；

约束条件(3)表示在第i个ONU中只能用一个波长和一种相应的波速；

约束条件(4)表示在每个时间段内每个ONU的带宽需求都必须得到满足；

约束条件(5)表示整个PON中所有用到波长j的ONU的带宽需求总和小于等于波长j的波速。

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