CN104283608A - 面向单srlg故障的长距离无源光网络保护方法 - Google Patents

Abstract

面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法，属于通信网络技术领域。根据可靠性评估模型计算每个ONU的可靠性及不同ONU之间的联合可靠性；计算每个备份光纤部署在任意一对ONU之间新增的被保护业务量，进而计算出备份光纤成本效率；决策出成本效率最大的一对ONU，并将备份光纤链路部署在二者之间，以最小化新增备份容量为目标，在这两个ONU之间进行备份容量分配；按照上述步骤迭代的进行备份容量分配余备份光纤部署，直到网络中所有ONU获得完全保护；输出备份容量分配解集与备份光纤部署位置。本发明面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法能在满足可靠性要求及业务完全保护的约束下，最小化备份光纤部署成本。

Description

面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，尤其涉及一种面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法。

背景技术

近年来，视频会议、交互式游戏及多媒体应用等新兴宽带业务的出现，导致了与日俱增的用户带宽需求。在过去的十年里，互联网流量按照约75％的年增长速度呈现指数增长趋势。究其原因，互联网流量的这种爆炸式增长主要是因为大量新业务的出现，例如，在线内容共享应用程序和高清晰度视频应用。经大量统计结果预测，在下一个十年网络视频应用将经历超过47％的年增长率。随着光网络的发展，骨干网的容量和可靠性都得到了极大提高，但覆盖最后一公里的接入网仍然是为用户提供宽带业务的瓶颈。随着用户带宽需求的日益增长，接入网的设计将面临更多挑战。传统的接入技术，例如数字用户线(DigitalSubscriber Line)系列(即x-DSL)，可提供约20-30 Mbps的峰值带宽。特别地，非常高比特率DSL(V-DSL)可支持50Mbps的带宽。尽管如此，DSL接入技术的传输距离受限(小于300米)，无法满足未来宽带接入日益增加的需求。

由于带宽容量大、传输稳定性好等优势，无源光网络(Passive OpticalNetwork，PON)被公认为宽带接入极具前景的解决方法之一。PON的一个典型的网络结构如图1所示，它通常呈现树形拓扑。位于中心局CO(centeroffice)的光线路终端OLT(optical line termin)通过主干光纤，分光器及分支光纤驱动多个光网络单元ONU(Optical Network Unit)。不同ONU通过时分复用TDM(Time-Division Multiplexing)技术共享主干光纤的上行和下行带宽容量，每个ONU的带宽容量取决于OLT的带宽分配策略。目前，主要有两种先进的TDMPON标准，符合IEEE 802.3ah标准的以太网PON(Ethernet PON，EPON)及ITU-T G.984标准的吉比特PON(Gigabit PON，GPON)。EPON可以提供1.25Gbps的上/下行对称带宽容量。GPON可以提供上行1.244 Gbps和下行2.488 Gbps的非对称带宽容量。然而，当前PON只能在20公里的范围内支持最多256个ONU，传输距离和网络规模受到极大限制，这意味着更高的网络部署成本。

作为下一代无源光网络的候选技术方法之一，长距离无源光网络(Long-Reach Passive Optical Network，LR-PON)，可以为用户提供更高的带宽，上/下行带宽可达10Gbps甚至更高，并提供更远的长距离覆盖以及更大的分光比，支持多种协议和业务进行透明传输，并利用密集波分复用技术来提高光纤的利用效率。LR-PON拟扩展网络传输范围达100公里，并支持比当前PON更大数量的ONU。因此，LR-PON已经被公认为下一代无源光网络成本有效的解决方法之一。

LR-PON承载大量高速业务流，一旦网络部件发生故障，将导致大量业务中断和数据丢失，引起巨大经济损失。因此，增强网络生存性是LR-PON规划中亟待解决的关键问题之一。传统的无源光网络保护方法存在较多问题，无法满足LR-PON更长的传输距离及更好的生存性需求。此外，以往研究大多考虑单光纤链路故障，未考虑不同光纤链路故障之间的相关性，如共享风险链路组(Shared-Risk Link Group，SRLG)。然而，在大规模LR-PON网络部署中，多个ONU通常经过相同的物理资源(如光纤隧道)，潜在的SRLG故障为可生存LR-PON网络规划提出更高挑战。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种备份光纤部署成本低的面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法包括以下步骤：

步骤1：输入网络参数，包括ONU数量、ONU负载、ONU剩余容量、任意两个ONU之间距离、可靠性要求，初始化备份光纤编号w＝1；

步骤2：根据可靠性评估模型计算每个ONU的可靠性及不同ONU之间的联合可靠性；

步骤3：计算第w个备份光纤部署在任意一对ONU o_i和o_j之间新增的被保护业务量其中和分别表示如果第w个备份光纤部署在o_i和o_j之间，ONUo_i和o_j各自被保护的业务量；

步骤4：根据ONUo_i和o_j之间的备份光纤长度，计算光纤成本效率 $E_w^{i,j}=(P_i^{j,w}+P_j^{i,w})/l_{i,j;}$

步骤5：计算出成本效率最大的一对与将第w个备份光纤链路部署在与之间；

步骤6：在满足可靠性要求前提下，以最小化新增备份容量为目标，在与之间进行备份容量分配；

步骤7：更新与当前被保护的业务量，进而获得网络中当前已被完全保护的ONU；

步骤8：若网络中仍存在不满足可靠性要求且未被完全保护的ONU，则w←w+1，转到步骤3，继续部署备份光纤；否则，转到步骤9；

步骤9：输出备份容量分配解集与备份光纤部署位置。

本发明另一面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法包括以下步骤：

步骤1：输入网络参数，包括ONU数量N_O、ONU负载d_i、ONU剩余容量r_i、任意两个ONU之间距离l_i,j、可靠性要求RR；

步骤2：根据可靠性评估模型，计算每个ONU的可靠性及不同ONU之间的联合可靠性如下：

$R_i=1-\frac{\left|\mathrm{\Ω}\left(o_i\right)\right|}{N_{\mathrm{SRLG}}}\∀i---\left(1\right)$

$R_{i,j}=1-\frac{|\mathrm{\Ω}\left(o_i\right)\∩\mathrm{\Ω}\left(o_j\right)|}{N_{\mathrm{SRLG}}}\∀i,j---\left(2\right)$

进而，计算出可靠性标志μi和ε_i,j如下：

步骤3：初始化备份光纤编号w＝1，备份光纤位置变量λ_i,j＝0，完全保护标志变量θ_i＝μ_i；

步骤4：计算已被完全保护的ONU数量如果N_P≠N_O，转到步骤4，否者，转到步骤11；

步骤5：第w个备份光纤部署在任意一对ONUo_i和o_j之间，计算o_i和o_j各自新增的被保护业务量和具体如下：

步骤5-1：在满足可靠性要求的前提下，计算出可以分配给ONUo_i作为备份容量的剩余容量单位如下：

$C_i^j=\left\{c_j^p\right|{\mathrm{\ϵ}}_{i,k}=1,\∀o_k\∈O_{j,p},p=\mathrm{1,2,3}L,r_j\}\∀i,j---\left(5\right)$

步骤5-2：计算o_i可以被o_j保护的业务量如下：

$P_i^{j,w}=\min \left\{\right|C_i^j|,d_i-P_i\}\∀w,i,j---\left(6\right)$

计算o_j可以被o_i保护的业务量如下：

$P_i^{j,w}=\min \left\{\right|C_j^i|,d_i-P_i\}\∀w,i,j---\left(7\right)$

步骤6：根据ONUo_i和o_j之间的备份光纤长度l_i,j，计算光纤成本效率如下：

$E_w^{i,j}=(P_i^{j,w}+P_j^{i,w})/l_{i,j}\∀w,i,j---\left(8\right)$

步骤7：决策出成本效率最大的一对与即存在将第w个备份光纤链路部署在与之间，

步骤8：以最小化备份容量消耗为目标，在与之间进行备份容量分配，具体如下：

步骤8-1：为决策出最佳的剩余容量单位

分配作为的备份容量，更新被保护的业务量ONU集合即剩余容量集合

步骤8-2：如果1)所有业务量得到完全保护，即或者2)不存在任何剩余容量可以继续分配给作为备份容量，即至少有一个成立，说明的备份容量分配结束，转到步骤7，否者，返回步骤5-1，继续分配备份容量；

实现的备份容量分配；

步骤9：如果已被完全保护，即更新如果已被完全保护，即更新

步骤10：更新被保护的ONU数量更新备份光纤索引号w←w+1，转到步骤4；

步骤11：输出备份容量分配解集与备份光纤部署位置λ_i,j， $\&ForAll;i,j,k,p,i<j,k\&NotEqual;i;$

一个在20km×20km的方形区域LR-PON网络，其中N_O个ONU按照均匀分布随机放置，该区域均匀地划分成M列M行的N_O个正方形单元格中，即N_O＝M²，每个ONU随机放置每个单元格中；所有ONU按照轮循调度机制均匀分配带宽容量；每个ONU的归一化业务量为该ONU实际业务量与其带宽容量的比值；每个ONU的带宽容量为1；按照固定和随机两种方式进行归一化业务量分配；整个网络中有10个SRLG，即N_SRLG＝10；每个ONU被随机的分配SRLG，n_SRLG为每个ONU的SRLG最大数量限制，其中n_SRLG≤N_SRLG；可靠性要求分别为{75％,85％,95％}；

N_O：网络中ONU数量；

i,j,k：ONU的索引号,i,j,k∈{1,2,3,L,N_O}.

o_i：索引号为i的ONU；

d_i：ONU o_i的业务量；

r_i：ONU o_i的剩余带宽容量；

p：剩余容量单位的索引号；

：ONU o_k的第p个单位的剩余容量；

l_i,j：ONU的o_i与o_j之间的物理距离；

λ_i,j：二进制变量，备份光纤部署在ONUo_i和o_j之间，值为1；否则为0；

：二进制变量，剩余容量单位分配给ONUo_i作为备份容量，值为1；否则为0；

N_SRLG：网络中的SRLG数量；

m：SRLG索引号；

g_m：索引号为m的SRLG；

Ω(o_i)：ONU o_i的SRLG集合；

R_i：ONU o_i的可靠性；

R_i,j：ONU o_i和o_j的联合可靠性；

RR：每个ONU的可靠性要求；

μ_i：二进制变量，ONU o_i的可靠性满足要求，值为1；否则为0；

ε_i,j：二进制变量，ONUo_i和o_j的联合可靠性满足要求，值为1；否则为0；

θ_i：二进制变量，ONUo_i获得完全保护，值为1；否则为0；

P_i：ONUo_i已被保护的业务量；

O_j,p：使用剩余容量单位为备份容量的ONU集合；

：o_j分配给o_i的备份容量；

N_P：被完全保护的ONU数量；

w：备份光纤索引号；

：第w个备份光纤部署在o_i和o_j之间，ONUo_i被保护的业务量；

：第w个备份光纤部署在o_i与o_j之间的成本效率。

本发明有益效果。

(1)可应对多光纤链路同时故障的情况，有效提高了LR-PON网络的生存能力；

(2)考虑ONU之间备份容量分配问题，保证业务恢复的带宽要求，从而改善服务质量；

(3)通过备份容量分配与备份光纤部署的联合优化，有效降低了备份光纤部署成本；

(4)提出了基于SRLG故障的可靠性模型，不仅可作为网络生存性评估的量化指标，也为备份容量分配及备份光纤部署提供了有利的参考依据。

相对比运算复杂度较高的线性规划方法，采用高效的启发式方法获得无线路由器的最佳布置方案，更适用于大规模网络部署。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1为本发明中典型无源光网络结构示意图；

图2为本发明中备份光纤保护方法示意图；

图3为本发明中BFP保护方法总体流程图；

图4为本发明中BFP保护方法备份容量分配流程图；

图5为本发明中25个ONU在5行5列小规模网络中的位置分布图；

图6为本发明中归一化业务量为40％情况下的备份光纤部署结果；

图7为本发明中不同归一化业务量的备份光纤长度结果；

图8为本发明中不同ONU数量的备份光纤长度结果。

图9为本发明中10个SRLG的分布情况。

图10为本发明中BFP方法与ILP方法在备份光纤长度方面的比较结果。

图11为本发明中BFP方法与ILP方法在求解时间方面的比较结果。

具体实施方式

如图所示，针对现有研究中存在的不足，本发明提出一种面向单SRLG故障的LR-PON网络保护方法。基于网络中的SRLG分布情况，提出可靠性评估模型，计算单SRLG故障场景下每个ONU的可靠性及不同ONU之间的联合可靠性。在此基础上，进一步提出面向单SRLG故障的备份光纤保护方法(Backup FibersProtection，BFP)。如图2所示，在BFP方法中，首先通过可靠性模型评估网络中的每个主ONU的可靠性。对于每个不满足可靠性要求的主ONU，首先为其分配一些备份ONU，每个备份ONU需要为主ONU预留剩余带宽容量作为其备份带宽容量。然后，在每对主ONU和备份ONU之间部署备份光纤。当网络发生单SRLG故障时，连接中断的主ONU可以将受影响的业务量通过备份光纤转移到其备份ONU。备份ONU将使用备份带宽容量将主ONU的带宽容量上传到光线路终端OLT。BFP方法致力于解决备份ONU带宽容量分配和备份光纤部署的联合优化问题。在满足可靠性要求的前提下，BFP方法的目标是通过最小的备份光纤部署成本实现所有业务量的完全保护。其实现步骤如下：

步骤1：输入网络参数，包括ONU数量、ONU负载、ONU剩余容量、任意两个ONU之间距离、可靠性要求，初始化备份光纤编号w＝1；

步骤2：根据可靠性评估模型(公式(1)和(2)，用于评估ONU到OLT之间连接的可靠性)计算每个ONU的可靠性及不同ONU之间的联合可靠性；

步骤3：计算第w个备份光纤部署在任意一对ONU o_i和o_j之间新增的被保护业务量其中和分别表示如果第w个备份光纤部署在o_i和o_j之间，ONUo_i和o_j各自被保护的业务量；

步骤4：根据ONUo_i和o_j之间的备份光纤长度，计算光纤成本效率 $E_w^{i,j}=(P_i^{j,w}+P_j^{i,w})/l_{i,j};$

步骤5：计算(根据公式(8)，找出成本效率最大的一对ONU)出成本效率最大的一对与将第w个备份光纤链路部署在与之间；

步骤6：在满足可靠性要求(根据公式(1)和(2)计算出来的可靠性(0～1之间的一个数)大于门限值)前提下，以最小化新增备份容量为目标(步骤8-1、8-2)，在与之间进行备份容量分配；

步骤7：更新与当前被保护的业务量，进而获得网络中当前已被完全保护的ONU；

步骤8：若网络中仍存在不满足可靠性要求且未被完全保护的ONU，则w←w+1，转到步骤3，继续部署备份光纤；否则，转到步骤9；

步骤9：输出备份容量分配解集与备份光纤部署位置。

一个在20km×20km的方形区域LR-PON网络，其中N_O个ONU按照均匀分布随机放置，该区域均匀地划分成M列M行的N_O个正方形单元格中，即N_O＝M²，每个ONU随机放置每个单元格中。所有ONU按照轮循调度机制均匀分配带宽容量。每个ONU的归一化业务量为该ONU实际业务量与其带宽容量的比值；每个ONU的带宽容量为1；按照固定和随机两种方式进行归一化业务量分配；整个网络中有10个SRLG，即N_SRLG＝10；每个ONU被随机的分配SRLG，n_SRLG为每个ONU的SRLG最大数量限制，其中n_SRLG≤N_SRLG；可靠性要求分别为{75％,85％,95％}。

N_O：网络中ONU数量。

i,j,k：ONU的索引号,i,j,k∈{1,2,3,L,N_O}。

o_i：索引号为i的ONU。

d_i：ONU o_i的业务量。

r_i：ONU o_i的剩余带宽容量。

p：剩余容量单位的索引号。

：ONU o_k的第p个单位的剩余容量。

l_i,j：ONU的o_i与o_j之间的物理距离。

λ_i,j：二进制变量，备份光纤部署在ONUo_i和o_j之间，值为1，否则为0。

：二进制变量，剩余容量单位分配给ONUo_i作为备份容量，值为1；否则为0。

N_SRLG：网络中的SRLG数量。

m：SRLG索引号。

g_m：索引号为m的SRLG。

Ω(o_i)：ONU o_i的SRLG集合。

R_i：ONU o_i的可靠性。

R_i,j：ONU o_i和o_j的联合可靠性。

RR：每个ONU的可靠性要求。

μ_i：二进制变量，ONU o_i的可靠性满足要求，值为1；否则为0。

ε_i,j：二进制变量，ONUo_i和o_j的联合可靠性满足要求，值为1；否则为0。

θ_i：二进制变量，ONUo_i获得完全保护，值为1；否则为0。

P_i：ONUo_i已被保护的业务量。

O_j,p：使用剩余容量单位为备份容量的ONU集合。

：o_j分配给o_i的备份容量。

N_P：被完全保护的ONU数量。

w：备份光纤索引号。

：第w个备份光纤部署在o_i和o_j之间，ONUo_i被保护的业务量。

：第w个备份光纤部署在o_i与o_j之间的成本效率。

如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：输入网络参数，包括ONU数量N_O、ONU负载d_i、ONU剩余容量r_i、任意两个ONU之间距离l_i,j、可靠性要求RR；

步骤2：根据可靠性评估模型，计算每个ONU的可靠性及不同ONU之间的联合可靠性如下：

$R_i=1-\frac{\left|\mathrm{\&Omega;}\left(o_i\right)\right|}{N_{\mathrm{SRLG}}}\&ForAll;i---\left(1\right)$

$R_{i,j}=1-\frac{|\mathrm{\&Omega;}\left(o_i\right)\&cap;\mathrm{\&Omega;}\left(o_j\right)|}{N_{\mathrm{SRLG}}}\&ForAll;i,j---\left(2\right)$

进而，计算出可靠性标志μ_i和ε_i,j如下：

步骤3：初始化备份光纤编号w＝1，备份光纤位置变量λ_i,j＝0，完全保护(本发明另一面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法步骤9)标志变量θ_i＝μ_i；

步骤4：计算已被完全保护的ONU数量如果N_P≠N_O，转到步骤4，否者，转到步骤11；

步骤5：第w个备份光纤部署在任意一对ONUo_i和o_j之间，计算o_i和o_j各自新增的被保护业务量和具体如下：

步骤5-1：在满足可靠性要求的前提下，计算出可以分配给ONUo_i作为备份容量的剩余容量单位如下：

$C_i^j=\left\{c_j^p\right|{\mathrm{\&epsiv;}}_{i,k}=1,\&ForAll;o_k\&Element;O_{j,p},p=\mathrm{1,2,3}L,r_j\}\&ForAll;i,j---\left(5\right)$

步骤5-2：计算o_i可以被o_j保护的业务量如下：

$P_i^{j,w}=\min \left\{\right|C_i^j|,d_i-P_i\}\&ForAll;w,i,j---\left(6\right)$

同理，计算o_j可以被o_i保护的业务量如下：

$P_i^{j,w}=\min \left\{\right|C_j^i|,d_i-P_i\}\&ForAll;w,i,j---\left(7\right)$

步骤6：根据ONUo_i和o_j之间的备份光纤长度l_i,j，计算光纤成本效率如下：

$E_w^{i,j}=(P_i^{j,w}+P_j^{i,w})/l_{i,j}\&ForAll;w,i,j---\left(8\right)$

步骤7：决策出成本效率最大的一对与即存在将第w个备份光纤链路部署在与之间，

步骤8：以最小化备份容量消耗为目标，在与之间进行备份容量分配，流程图如图4所示，具体如下：

步骤8-1：为决策出最佳的剩余容量单位

分配作为的备份容量，更新被保护的业务量ONU集合即剩余容量集合

步骤8-2：如果1)所有业务量得到完全保护，即或者2)不存在任何剩余容量可以继续分配给作为备份容量，即至少有一个成立，说明的备份容量分配结束，转到步骤7，否者，返回步骤6-1，继续分配备份容量；

同理可实现的备份容量分配。

步骤9：如果已被完全保护，即更新如果已被完全保护，即更新

步骤10：更新被保护的ONU数量更新备份光纤索引号w←w+1，转到步骤4；

步骤11：输出备份容量分配解集与备份光纤部署位置λ_i,j， $\&ForAll;i,j,k,p,i<j,k\&NotEqual;i.$

由上述可知，对本发明提出的BFP方法与整数线性规划(ILP)方法在1)备份光纤长度；2)求解时间等指标方面进行性能比较，并分析不同ONU业务量和ONU数量对BFP方法性能的影响。如图5所示。每个方形单元的圆圈表示该ONU，当n_SRLG＝5时，随机生成图9中的SRLG分布。在不同的情况下所有ONU设置归一化业务量 $\stackrel{\&OverBar;}{d}=\{40\%,50\%,60\%,70\%\}.$

当RR＝85％时，显示的结果如图10所示，观察发现BFP方法的备份光纤长度很接近ILP方法的最优解，最坏情况下只有6.7％的差距。特别是在以及时它们之间的差距仅有1.14％。实验观察发现，当各ONU具有归一化的业务量小于或等于一半的容量，备份光纤长度保持恒定，而与归一化的业务量无关，例如，ILP方法的备份光纤长度保持27.45公里，启发式方法的备份光纤长度保持27.14公里。这是因为，在这种情况下每个主ONU只需要一个备份ONU，主ONU将鼓励使用距离较近的备份ONU并满足可靠性要求。因此，当归一化的业务量小于或等于一半的ONU的容量时，始终得到保持不变的备份光纤部署方法。所以观察到，无论ILP方法或BFP方法，和两种情况下的备份光纤长度总是相同的备份光纤长度。

为直观的理解，图6示出在的情况下，ILP方法和启发式方法各自的备份光纤分布。可以观察到，一些ONU没有连接备份光纤，因为这些ONU不满足可靠性要求。此外，在图11中比较了这两种方法的求解时间。当归一化业务量在40％-70％之间变化时，相比于ILP的方法，启发式方法可以减少超过99.0％的时间复杂度。因此，启发式方法能高效的获得近似最优解。

如图7所示为BFP方法在不同的归一化业务量RR∈{75％,85％,95％}情况下的备份光纤长度。在不同情况下，每个ONU被随机分配归一化业务量[30％,50％]，[30％,60％]，[30％,70％]和[30％,80％]。假设ONU数量N_O＝25，每个ONU最大的SRLG的数量n_SRLG＝5。随着归一化业务量增加，每个主ONU需要更多的备份ONU进行全面保护，从而需要部署更多的备份光纤。因此，观察到在BFP方法中当归一化业务量增加时，备份光纤长度逐渐上升。尤其是，在较低的归一化业务量范围内，主ONU只需要一个备份ONU。因此，当归一化的业务量变化从[30％,40％]]至[30％,60％]时，观察到了备份光纤长度仍然以缓慢的速度增加。然而，当归一化业务量的增加超过[30％,60％]时，每个主ONU需要越来越多的备份ONU，即更多的备份光纤。结果表明，备份光纤长度较快增长时，归一化的业务量变化从[30％,60％]至[30％,80％]。此外，当RR较小时，每个主ONU可以与多个其他的主ONU共享相同的备份容量。在这种情况下，每个ONU可使用邻近的ONU作为备份的ONU，这有助于备份光纤更少的消耗。因此，BFP方法在RR更低的情况下有更低的备份光纤长度。尤其是，当归一化业务量时，备份光纤长度在RR＝85％的的情况下为48.4％比在RR＝95％时更低。

在图8中，设置可靠性要求RR∈{75％,85％,95％}，通过ONU数量N_O的不同取值检验所提出的BFP方法，这里N_O分别取16，25，36，49和64。每个ONU被随机分配归一化的业务量设定每个ONU的SRLG最大数量n_SRLG＝5。正如预期的那样，随着ONU的数量不断增加，更多的备份光纤需要在网络中部署进而充分保护所有ONU，从而提高备份光纤长度。然而，当ONU的数目较大时，每个主ONU有多个备选备份的ONU来接近这个主ONU。因此，虽然在网络中有多个ONU，但每对主用和备份ONU之间的距离较短。结果显示，备份光纤长度在ONU数目上升时平缓的增加，尤其是RR较低的情况下。

综上所述，本发明提出的BFP方法能在满足可靠性要求及业务完全保护的约束下，实现接近于最优的备份光纤部署，从而实现了长距离无源光网络保护的备份光纤部署成本最小化。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：输入网络参数，包括ONU数量、ONU负载、ONU剩余容量、任意两个ONU之间距离、可靠性要求，初始化备份光纤编号w＝1；

步骤2：根据可靠性评估模型计算每个ONU的可靠性及不同ONU之间的联合可靠性；

步骤3：计算第w个备份光纤部署在任意一对ONU o_i和o_j之间新增的被保护业务量其中和分别表示如果第w个备份光纤部署在o_i和o_j之间，ONU o_i和o_j各自被保护的业务量；

步骤4：根据ONU o_i和o_j之间的备份光纤长度，计算光纤成本效率 $E_w^{i,j}=(P_i^{j,w}+P_j^{i,w})/l_{i,j};$

步骤5：计算出成本效率最大的一对与将第w个备份光纤链路部署在与之间；

步骤6：在满足可靠性要求前提下，以最小化新增备份容量为目标，在与之间进行备份容量分配；

步骤7：更新与当前被保护的业务量，进而获得网络中当前已被完全保护的ONU；

步骤8：若网络中仍存在不满足可靠性要求且未被完全保护的ONU，则w←w+1，转到步骤3，继续部署备份光纤；否则，转到步骤9；

步骤9：输出备份容量分配解集与备份光纤部署位置。

2.面向单SRLG故障的长距离无源光网络保护方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：输入网络参数，包括ONU数量N_O、ONU负载d_i、ONU剩余容量r_i、任意两个ONU之间距离l_i,j、可靠性要求RR；

步骤2：根据可靠性评估模型，计算每个ONU的可靠性及不同ONU之间的联合可靠性如下：

$\begin{array}{cc}{R}_i=1-\frac{\left|\mathrm{\&Omega;}\left(o_i\right)\right|}{N_{\mathrm{SRLG}}}& \&ForAll;i\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{cc}{R}_{i,j}=1-\frac{|\mathrm{\&Omega;}\left(o_i\right)\&cap;\mathrm{\&Omega;}\left(o_j\right)|}{N_{\mathrm{SRLG}}}& {\&ForAll;}_{i,j}\end{array}---\left(2\right)$

进而，计算出可靠性标志μ_i和ε_i,j如下：

步骤3：初始化备份光纤编号w＝1，备份光纤位置变量λ_i,j＝0，完全保护标志变量θ_i＝μ_i；

步骤4：计算已被完全保护的ONU数量如果N_P≠N_O，转到步骤4，否者，转到步骤11；

步骤5：第w个备份光纤部署在任意一对ONU o_i和o_j之间，计算o_i和o_j各自新增的被保护业务量和具体如下：

步骤5-1：在满足可靠性要求的前提下，计算出可以分配给ONU o_i作为备份容量的剩余容量单位如下：

$\begin{array}{cc}{C}_i^j=\left\{c_j^p\right|{\mathrm{\&epsiv;}}_{i,k}=1,{\&ForAll;o}_k\&Element;O_{j,p},p=\mathrm{1,2,3},L,r_j\}& \&ForAll;i,j\end{array}---\left(5\right)$

步骤5-2：计算o_i可以被o_j保护的业务量如下：

$\begin{array}{cc}{P}_i^{j,w}=\min \left\{\right|C_i^j|,d_i-P_i\}& \&ForAll;w,i,j\end{array}---\left(6\right)$

计算o_j可以被o_i保护的业务量如下：

$\begin{array}{cc}{P}_j^{i,w}=\min \left\{\right|C_j^i|,d_i-P_i\}& \&ForAll;w,i,j\end{array}---\left(7\right)$

步骤6：根据ONU o_i和o_j之间的备份光纤长度l_i,j，计算光纤成本效率如下：

$\begin{array}{cc}{E}_w^{i,j}=(P_i^{j,w}+P_j^{i,w})/l_{i,j}& \&ForAll;w,i,j\end{array}---\left(8\right)$

步骤7：决策出成本效率最大的一对与即存在将第w个备份光纤链路部署在与之间，

步骤8：以最小化备份容量消耗为目标，在与之间进行备份容量分配，具体如下：

步骤8-1：为决策出最佳的剩余容量单位

分配作为的备份容量，更新被保护的业务量ONU集合即剩余容量集合

步骤8-2：如果1)所有业务量得到完全保护，即或者2)不存在任何剩余容量可以继续分配给作为备份容量，即至少有一个成立，说明的备份容量分配结束，转到步骤7，否者，返回步骤5-1，继续分配备份容量；

实现的备份容量分配；

步骤9：如果已被完全保护，即更新如果已被完全保护，即更新

步骤10：更新被保护的ONU数量更新备份光纤索引号w←w+1，转到步骤4；

步骤11：输出备份容量分配解集与备份光纤部署位置λ_i,j，j,k,p,i<j,k≠i；

一个在20km×20km的方形区域LR-PON网络，其中N_O个ONU按照均匀分布随机放置，该区域均匀地划分成M列M行的N_O个正方形单元格中，即N_O＝M²，每个ONU随机放置每个单元格中；所有ONU按照轮循调度机制均匀分配带宽容量；每个ONU的归一化业务量为该ONU实际业务量与其带宽容量的比值；每个ONU的带宽容量为1；按照固定和随机两种方式进行归一化业务量分配；整个网络中有10个SRLG，即N_SRLG＝10；每个ONU被随机的分配SRLG，n_SRLG为每个ONU的SRLG最大数量限制，其中n_SRLG≤N_SRLG；可靠性要求分别为{75％,85％,95％}；

N_O：网络中ONU数量；

i,j,k：ONU的索引号,i，j,k∈{1,2,3,L,N_O}.

o_i：索引号为i的ONU；

d_i：ONU o_i的业务量；

r_i：ONU o_i的剩余带宽容量；

p：剩余容量单位的索引号；

ONU o_k的第p个单位的剩余容量；

l_i,j：ONU的o_i与o_j之间的物理距离；

λ_i,j：二进制变量，备份光纤部署在ONU o_i和o_j之间，值为1；否则为0；

二进制变量，剩余容量单位分配给ONU o_i作为备份容量，值为1；否则为0；

N_SRLG：网络中的SRLG数量；

m：SRLG索引号；

g_m：索引号为m的SRLG；

Ω(o_i)：ONU o_i的SRLG集合；

R_i：ONU o_i的可靠性；

R_i,j：ONU o_i和o_j的联合可靠性；

RR：每个ONU的可靠性要求；

μ_i：二进制变量，ONU o_i的可靠性满足要求，值为1；否则为0；

ε_i,j：二进制变量，ONU o_i和o_j的联合可靠性满足要求，值为1；否则为0；

θ_i：二进制变量，ONU o_i获得完全保护，值为1；否则为0；

P_i：ONU o_i已被保护的业务量；

O_j,p：使用剩余容量单位为备份容量的ONU集合；

o_j分配给o_i的备份容量；

N_P：被完全保护的ONU数量；

w：备份光纤索引号；

第w个备份光纤部署在o_i和o_j之间，ONU o_i被保护的业务量；

第w个备份光纤部署在o_i与o_j之间的成本效率。