CN106685526B - 一种可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法包括：对接入网进行分层处理；根据LED数目，确定接入层结构；根据接入层结构，并考虑冗余链路，确定汇聚层拓扑结构；根据汇聚层结构，确定核心层结构；层级相连，得到最终网络结构。采用本发明的技术方案，解决传统可见光接入网在进行网络扩展时带来的扩展成本高、网络负载大以及传输时延长的问题。

Description

一种可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法
技术领域
本发明属于可见光通信(VLC)技术领域，尤其涉及一种可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法。
背景技术
随着21世纪的深入，对可持续高能技术的需求与日俱增。照明——作为电能消耗的一个主要源头，更备受人们的关注。与此同时，人们注意到，与传统的白炽灯和荧光灯相比，一种新兴的高效能固态照明技术——LED照明正逐渐兴起，由于其低能耗、寿命长、绿色环保等优势，LED已成为下一代照明的有力选择。此外，人们还注意到LED具有频谱资源丰富且不受限、调制性能好、响应灵敏度高、成本低、安全保密、无电磁干扰等优点，利用LED的这种特性，光通信领域的研究人员创新性的提出：在照明的同时，还可以把信号调制到LED上进行传输，从而实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信技术。
基于LED的可见光通信技术是一种将LED照明技术和通信技术相结合的新兴技术。其基本原理是：利用LED光源具有高速的开关切换特点，通过控制LED的驱动电流来完成对光信号的调制。同时，在接收端通过光电二极管来将光信号转化为电信号，从而可以完成信息的传输。如果我们让不同的LED光源发送不同的信息，每个LED光源独自负责自身有效覆盖范围内用户的业务通信，这就实现了基于光源位置的空分复用，理论上可以大大提高整个网络的通信容量，我们把这种网络称为室内可见光通信网络。
在室内可见光通信的研究中，宽带无线接入是可见光通信应用领域研究最多的方向，其主要是依托室内的LED照明设备来为用户提供照明和通信服务。然而，在传统以太网体系构建的可见光宽带接入网中，随着LED访问接入点(AP)的增加，不同的接入网体系结构，对扩展成本、网络负载以及传输时延等因素产生的影响不尽相同。在原有的基于FPGA和基于二层交换设备这两种扩展方案中，扩展成本、网络负载以及传输时延这三个指标均不能达到一个较好的折中。在此基础上，我们考虑融合两种方案的优点，并引入相应的冗余机制，使得生成的接入网体系结构扩展性加强，扩展成本、网络负载以及传输时延这三个性能指标得到优化,网络的扩展性和稳定性得到提升。
发明内容
本发明提供一种可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法，从而解决传统可见光接入网在进行网络扩展时带来的扩展成本高、网络负载大以及传输时延长的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法包括以下步骤：
步骤1、先获得实际场景中的LED访问接入点数目N，以及路由器端口数目Ar、交换机端口数目As、FPGA可用端口数目Af以及FPGA端口扩展模块可用端口数目Am；
步骤2、根据LED数目N、FPGA可用端口数目Af和FPGA端口扩展模块可用端口数目Am求出需要的FPGA总数NF：并确定接入层的体系结构；
步骤3、若NF<Ar，即FPGA可直接连接路由器，则跳至第9步；否则，继续下一步；
步骤4、核心层路由器数目即为汇聚层最顶层交换机数目，考虑到此层冗余链路需要与核心层路由器和相邻交换机相连，故该层所剩余的可接入端口数可以求出：
NL＝2×(As-1-Nr)+(Nr-2)×(As-2-Nr)Nr≥2
NL＝As-1Nr＝1；
步骤5、若NF≤NL，则跳至第8步；否则，汇聚层向下一层扩展，进入下一步；
步骤6、考虑到此层冗余链路只需要与相邻交换机相连，故该层所剩余的可接入端口数可以求出：
NL＝2×(As-2)+(Ntop-2)×(As-3)Ntop≥2；
步骤7、若NF≤NL，则跳至第8步；否则，重复5-6步，直至跳至第8步；
步骤8、若NF＝NL，则此时FPGA全部连接至汇聚层的最底层，此时汇聚层为完全树型结构；
步骤9、核心层路由器采用线型拓扑相连，形成冗余链路，每个路由器均需连接至以太网；
步骤10核心层、汇聚层、接入层层级之间相互连接，得到完整的体系结构拓扑。
作为优选，步骤8中，若NF≠NL，则此时FPGA部分连接至汇聚层的最底层，部分连接至汇聚层倒数第二层，此时汇聚层为不完全树型结构，根据最底层与倒数第二层交换机所能提供的端口数目，确定汇聚层的完整结构。
本发明的可见光通信接入网体系结构生成方法包括：对接入网进行分层处理；根据LED数目，确定接入层结构；根据接入层结构，并考虑冗余链路，确定汇聚层拓扑结构；根据汇聚层结构，确定核心层结构；层级相连，得到最终网络结构。采用本发明的技术方案，解决传统可见光接入网在进行网络扩展时带来的扩展成本高、网络负载大以及传输时延长的问题。
附图说明
图1为基于FPGA进行扩展的体系结构原理图；
图2为基于交换机进行扩展的体系结构原理图；
图3为本发明所生成的体系结构原理图；
图4为本发明体系结构生成方法的流程图；
图5为实验结果图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法，所述网络体系结构采用基于核心层、汇聚层、接入层的三层网络体系结构。考虑到传统可见光接入网中，基于FPGA进行LED访问接入点扩展时，体系结构具有扩展成本高、传输时延长但负载压力小的优缺点，体系结构原理图如图1所示，以及基于二层交换机进行LED访问接入点扩展时，体系结构具有扩展成本低、传输时延小但负载压力大的优缺点，体系结构原理图如图2所示。本方案在综合比较了上述方案之后，采用二层交换机作为汇聚层设备，有效地降低扩展成本；在核心层和汇聚层引入冗余链路，从而减轻核心层与汇聚层的节点负载压力；而在接入层设备FPGA上，引入FPGA端口扩展模块，提升子网中的LED访问接入点的数目，从而减少网络传输时延，并且由于FPGA端口扩展模块相较于FPGA具有制作成本低的特点，也可以有效降低扩展成本。
本发明所提出地体系结构采用自底向上的生成方式，由于实际场景中，LED的扩展具有简易性与廉价性，从而导致LED访问接入点的扩展性成为可见光接入网中一个重要的性能。扩展性强的接入网，当LED的个数增加时，网络的鲁棒性不会变差，扩展起来网络的拓扑结构不会发生较大的改动，网络的性能也不会受到较大的影响。因此，基于上述考虑，本体系结构采用自底向上的生成方式，根据LED访问接入点的数量，综合每层需要考虑的具体因素，逐层确定接入层、汇聚层以及核心层的具体结构，最终生成总的接入网体系结构。
所述接入层的具体确定方法是：
1、根据LED访问接入点的数目，以及FPGA的端口数以及端口扩展模块的端口数，获得接入层所需要使用的FPGA个数
2、根据FPGA总端口数与LED的个数进行比较，判断最后一块FPGA是否需要端口扩展模块
所述汇聚层的具体确定方法是：
1、根据FPGA的总数，考虑到汇聚层中的冗余链路需要占用的交换机的端口数目，确定汇聚层中叶节点的个数。汇聚层中的叶节点指直接与FPGA相连的交换机。叶节点的交换机可能在不同的层中，此时汇聚层树结构为不完全树结构；也可能都在最底层，此时汇聚层树结构为完全树结构。
2、根据叶节点的个数，自顶向下的得到汇聚层的体系结构。核心层路由器的数目，即为汇聚层顶层的交换机个数。其中，汇聚层顶层的冗余策略与汇聚层的其它层略有不同，除去本层之间的横向冗余链路，需额外多分配端口与核心层路由器相连，形成纵向冗余链路。
所述核心层需要根据实际情况中的路由器与交换机的端口数目，动态的确定最适合条件的核心层的结构，具体确定方法是：不难发现，当核心层路由器数目过少时，此时汇聚层交换机与核心层路由器相连接的端口数目就会减少，端口资源的利用率就会得到提升，但此时核心层的鲁棒性不高，路由器发生故障时网络性能会急速下降；当核心层路由器数目过高时，核心层的鲁棒性得到保证，但此时汇聚层交换机与核心层路由器相连接的端口数目就会过多，造成过多的端口资源浪费。因此，需在核心层鲁棒性与汇聚层端口资源利用率上进行折中。由于路由器的成本较低，且易扩展，故在本体系结构中，将核心层路由器的个数定位交换机端口数目的1/3(向上取整)，核心层鲁棒性与汇聚层端口资源利用率均会达到较好的折中，汇聚层与核心层的网络性能均能得到保障。
当接入层、汇聚层与核心层的体系结构确定之后，逐层相连，即可得到最终的网络结构。体系结构原理图如图3所示。
如附图4所示，本发明的可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法包括以下步骤：
1、先获得实际场景中的LED访问接入点数目N，以及路由器端口数目Ar、交换机端口数目As、FPGA可用端口数目Af以及FPGA端口扩展模块可用端口数目Am；
2、根据LED数目N、FPGA可用端口数目Af和FPGA端口扩展模块可用端口数目Am求出需要的FPGA总数NF：并确定接入层的体系结构；
3、若NF<Ar，即FPGA可直接连接路由器，则跳至第9步；否则，继续下一步；
4、核心层路由器数目即为汇聚层最顶层交换机数目，考虑到此层冗余链路需要与核心层路由器和相邻交换机相连，故该层所剩余的可接入端口数可以求出：
NL＝2×(As-1-Nr)+(Nr-2)×(As-2-Nr)Nr≥2
NL＝As-1Nr＝1；
5、若NF≤NL，则跳至第8步；否则，汇聚层向下一层扩展，进入下一步；
6、考虑到此层冗余链路只需要与相邻交换机相连，故该层所剩余的可接入端口数可以求出：
NL＝2×(As-2)+(Ntop-2)×(As-3)Ntop≥2；
7、若NF≤NL，则跳至第8步；否则，重复5-6步，直至跳至第8步；
8、若NF＝NL，则此时FPGA全部连接至汇聚层的最底层，此时汇聚层为完全树型结构；若NF≠NL，则此时FPGA部分连接至汇聚层的最底层，部分连接至汇聚层倒数第二层，此时汇聚层为不完全树型结构，根据最底层与倒数第二层交换机所能提供的端口数目，确定汇聚层的完整结构；
9、核心层路由器采用线型拓扑相连，形成冗余链路，每个路由器均需连接至以太网；
10核心层、汇聚层、接入层层级之间相互连接，得到完整的体系结构拓扑。
使用以上方法。取LED访问接入点数目为200，路由器端口数目为5，交换机端口数目为6，FPGA可用端口数目为4以及FPGA端口扩展模块可用端口数目为10，基于本发明所提出的体系结构以及生成方法，可得到如图5所示的实验结果图。
以上对本发明进行了详细的说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、先获得实际场景中的LED访问接入点数目N，以及路由器端口数目Ar、交换机端口数目As、FPGA可用端口数目Af以及FPGA端口扩展模块可用端口数目Am；
步骤2、根据LED数目N、FPGA可用端口数目Af和FPGA端口扩展模块可用端口数目Am求出需要的FPGA总数NF：并确定接入层的体系结构；
步骤3、若NF＜Ar，即FPGA可直接连接路由器，则跳至第9步；否则，继续下一步；
步骤4、核心层路由器数目即为汇聚层最顶层交换机数目，考虑到此层冗余链路需要与核心层路由器和相邻交换机相连，故该层所剩余的可接入端口数可以求出：
NL＝2×(As-1-Nr)+(Nr-2)×(As-2-Nr)，Nr≥2或者
NL＝As-1，Nr＝1；
步骤5、若NF≤NL，则跳至第8步；否则，汇聚层向下一层扩展，进入下一步；
步骤6、考虑到此层冗余链路只需要与相邻交换机相连，故该层所剩余的可接入端口数可以求出：
NL＝2×(As-2)+(Ntop-2)×(As-3)，Ntop≥2；
步骤7、若NF≤NL，则跳至第8步；否则，重复5-6步，直至跳至第8步；
步骤8、若NF＝NL，则此时FPGA全部连接至汇聚层的最底层，此时汇聚层为完全树型结构；
步骤9、核心层路由器采用线型拓扑相连，形成冗余链路，每个路由器均需连接至以太网；
步骤10核心层、汇聚层、接入层层级之间相互连接，得到完整的体系结构拓扑。
2.如权利要求1所述的可扩展的可见光通信接入网体系结构生成方法，其特征在于，步骤8中，若NF≠NL，则此时FPGA部分连接至汇聚层的最底层，部分连接至汇聚层倒数第二层，此时汇聚层为不完全树型结构，根据最底层与倒数第二层交换机所能提供的端口数目，确定汇聚层的完整结构。
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