基于ONU-WG的无源光网络优化方法与流程

本发明属于通信网络技术领域，特别涉及一种基于ONU-WG的无源光网络优化方法。

背景技术：
近年来，多媒体业务用户的与日俱增导致因特网业务量呈现指数增长趋势。据报道，未来十年，因特网业务量的年增长率将超过75％，其中带宽要求较高的视频业务年增长率将达到45％。这预示着速率受限的传统接入技术，如20-30Mbps的数字用户线技术DSL，已无法满足不断增长的带宽需求，覆盖“最后一公里”的接入网将逐渐成为用户终端与因特网之间的带宽瓶颈，未来宽带接入网的设计将面临更大挑战。无源光网络(PassiveOpticalNetwork)以下缩写为PON，它是一种纯介质网络，无源光网络PON可为用户提供高带宽接入服务并具有较好的传输稳定性，被公认为下一代宽带接入的理想技术之一。典型的无源光网络呈现树状拓扑结构，多个光网络单元(OpticalNetworkUnit)是光纤接入的终端设备，以下缩写为ONU；多个光网络单元ONU经由分支光纤、光分路器和主干光纤连接到一个共同的光线路终端(opticallineterminal)以下缩写为OLT，如图1所示。不同光网络单元ONU之间通过时分复用技术共享主干光纤的波长信道，并由光线路终端OLT决定分配给每个光网络单元ONU的带宽容量。目前，时分复用无源光网络主要有两个标准：以太网无源光网络(Ethernetpassiveopticalnetwork)以下缩写为EPON和吉比特无源光网络(gigabitpassiveopticalnetwork)以下缩写为GPON。以太网无源光网络EPON支持上下行对称的1.25Gbps的传输速率，以太网无源光网络GPON提供非对称的上行1.244Gbps和下行2.488Gbps的传输速率。尽管如此，由于光纤部署成本较高且受地理环境制约，无源光网络在接入灵活性方面受到极大限制，无法支持无处不在的宽带接入。随着无线宽带业务的大规模涌现，如何提高宽带接入方式灵活性成为无源光网络亟待解决的关键问题之一。通过为无源光网络中部分光网络单元ONU设备配置无线功能，形成ONU-WG(WirelessGateway)结构，并在网络前端部署无线路由器构建无线网状网，可实现无线接入技术与无源光网络的有效融合，如图1所示。通过两种接入技术优势互补可有效提高无源光网络宽带接入灵活性。在基于ONU-WG的无源光网络中，网络部署问题涉及ONU布置、光纤铺设、无线路由器放置等关键技术。为减小网络部署成本，在保留原有无源光网络总体架构的基础上，优化无线路由器的布置位置成为改善网络性能的重要途径之一。现有无线路由器布置方法大多针对无线Mesh网络，且局限于路由器节点之间的对等通信，在无线接入跳数及网络覆盖范围等方面考虑不够完善。因此无法有效应用于基于ONU-WG的无源光网络部署。然而，无线接入跳数、网络覆盖范围及ONU容量限制是影响用户服务质量及服务体验的重要因素，也是制约网络可扩展能力的关键条件，在基于ONU-WG的无源光网络部署问题中具有重要的研究意义。

技术实现要素：
针对现有研究中存在的不足，本发明提出一种基于ONU-WG的无源光网络优化方法：MCHOC(MaximumCoverageunderHopsnumberandONUscapacityConstraint)并致力于解决无线路由器的优化布置问题。已知需要布置的无线路由器数量，在满足无线接入跳数和ONU容量限制的条件下，通过优化无线路由器布置位置，最大化无线覆盖范围。基于ONU-WG的无源光网络优化方法，包括以下步骤：步骤1：将整个网络区域划分成M×M个网格单元，并以每个网格单元的中心作为放置无线路由器的可能位置；步骤2：设Rk表示当前将要放置的一个无线路由器，在满足ONU容量限制及无线接入跳数约束的条件下，计算出可以放置无线路由器Rk的所有候选位置；在每个候选位置上，Rk能通过至少一条满足跳数约束的无线路径接入到其目的ONU，且目的ONU有足够的剩余容量承载Rk的业务量；步骤3：按照无线路由器Rk的传输范围，计算其在每个候选位置上可实现的网络覆盖范围，这里的网络覆盖范围不包括与其他无线路由器传输范围的重叠部分；步骤4：从无线路由器Rk的所有候选位置中选出网络覆盖范围最大的一个作为Rk的最佳布置位置，并根据Rk的传输范围计算出其邻居无线路由器集合；步骤5：已知Rk的邻居无线路由器集合及每个邻居无线路由器到各ONU的最小无线接入跳数，计算Rk的目的ONU及二者之间的最短无线接入路径；步骤6：更新其他无线路由器到各ONU的最短无线接入路径，重新选择目的ONU，并在原有目的ONU和新的目的ONU之间进行负载迁移；步骤7：判断是否完成所有K个无线路由器的布置；如果是，转向步骤8，否则，返回步骤2，放置新的无线路由器；步骤8：输出K个无线路由器各自的布置位置、目的ONU及无线接入路径。所述的步骤1中将整个网络区域划分成M×M个网格单元，具体是将5km×5km的方形网络区域划分成10×10个网格单元，即M＝10；将网格单元从左至右、从上至下依次编号1，2，3，…，100，并以每个网格单元的中心点作为放置无线路由器的可能位置。所述的步骤2中设Rk表示当前将要放置的一个无线路由器；具体是对于任意无线路由器初始化每个无线路由器到各ONU的最短无线路径跳数初始化无线路由器索引号k＝1。所述的步骤3中按照无线路由器Rk的传输范围，计算其在每个候选位置上可实现的网络覆盖范围：具体是遍历网络中所有未放置无线路由器的网格单元中心点，计算出可以放置无线路由器Rk的候选位置集合Φk，具体如下：(1)对于其中任意一个网格单元中心点lm，计算出Rk放置在lm上的邻居无线路由器集合(2)若lm满足如下条件“存在无线路由器使得并且ONUOx的剩余容量”，即无线路由器Rk放置在lm上可以满足无线接入跳数限制和ONU容量限制，那么将lm作为Rk的一个候选位置，Φk←Φk∪lm。所述的计算出可以放置无线路由器Rk的候选位置集合Φk，具体是：对于集合Φk中任意候选位置lm∈Φk，计算出无线路由器Rk放置在lm上的网络覆盖重叠范围其中，ηk(lm)越小，Rk的网络覆盖范围越大；以最大化网络覆盖范围为目标，从集合Φk中选出无线路由器Rk的最佳放置位置所述的步骤5中已知Rk的邻居无线路由器集合及每个邻居无线路由器到各ONU的最小无线接入跳数，具体是：将无线路由器Rk放置到网格单元中心点上，计算Rk到每个ONU(如Ox)的最短无线接入跳数据此，决策出Rk的目的ONU其中且所述的步骤6中更新其他无线路由器到各ONU的最短无线接入路径，重新选择目的ONU，并在原有目的ONU和新的目的ONU之间进行负载迁移，具体是：根据节点Rk及其邻居节点集合更新网络中每个无线路由器到每个ONU的最短路径跳数根据新的最短路径重新选择无线路由器的目的ONU，并将Ri的负载从原先的目的ONU迁移到新的目的ONU。所述的步骤7中，判断是否完成所有K个无线路由器的布置，即判断k＝K是否成立，如果是，说明已完成所有K个无线路由器的布置，转向步骤8；否则，更新无线路由器索引号k←k+1，返回步骤2，放置新的无线路由器。本发明的优点及有益效果是：1、对于光纤不可达区域，采用ONU-WG结构不仅能支持无线终端设备随时随地的宽带接入，也为基于无源光网络的应急通信及远程监测等应用提供了可行性。2、以ONU-WG为接口，在无源光网络前端建立无线多跳网络，可扩大网络覆盖范围，缩短光纤铺设距离，进而节省网络部署成本。3、网络扩展性较好，可保持无源光网络原有架构，只需将部分ONU替换成ONU-WG，易安装、成本低、便于维护。4、以最大化网络覆盖范围为目标，考虑ONU容量约束和无线接入跳数约束，在保证用户服务质量和服务体验的同时，降低网络后续建设成本。5、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例对本发明作进一步详细的说明。图1为现有技术中典型无源光网络结构示意图；图2为本发明中基于ONU-WG无源光网络结构示意图；图3为本发明中应用于实施例的无源光网络拓扑示意图；图4为本发明中基于ONU-WG的无源光网络优化部署方法MCHOC流程图；图5为本发明中无线路由器的网络覆盖范围示意图；图6为本发明中MCHOC方法在网络覆盖范围方面的性能结果示意图；图7为本发明中MCHOC方法在未过载ONU比例方面的性能结果示意图；图8为本发明中MCHOC方法在满足跳数约束无线路由器比例方面的性能结果示意图。具体实施方式如图2所示，本发明是基于ONU-WG的无源光网络优化方法，本发明包括以下步骤：步骤1：将整个网络区域划分成M×M个网格单元，并以每个网格单元的中心作为放置无线路由器的可能位置。步骤2：设Rk表示当前将要放置的一个无线路由器，在满足ONU容量限制及无线接入跳数约束的条件下，计算出可以放置无线路由器Rk的所有候选位置。在每个候选位置上，Rk能通过至少一条满足跳数约束的无线路径接入到其目的ONU，且目的ONU有足够的剩余容量承载Rk的业务量。步骤3：按照无线路由器Rk的传输范围，计算其在每个候选位置上可实现的网络覆盖范围，这里的网络覆盖范围不包括与其他无线路由器传输范围的重叠部分。步骤4：从无线路由器Rk的所有候选位置中选出网络覆盖范围最大的一个作为Rk的最佳布置位置，并根据Rk的传输范围计算出其邻居无线路由器集合。步骤5：已知Rk的邻居无线路由器集合及每个邻居无线路由器到各ONU的最小无线接入跳数，计算Rk的目的ONU及二者之间的最短无线接入路径。步骤6：更新其他无线路由器到各ONU的最短无线接入路径，重新选择目的ONU，并在原有目的ONU和新的目的ONU之间进行负载迁移。步骤7：判断是否完成所有K个无线路由器的布置。如果是，转向步骤8，否则，返回步骤2，放置新的无线路由器。步骤8：输出K个无线路由器各自的布置位置、目的ONU及无线接入路径。本实施例在5km×5km的方形区域内设置一个无源光网络，如图3所示，随机选择光线路终端OLT的放置位置，并在其2km范围内随机放置一个分光器，即主干光纤长度小于2km。8个光网络单元ONU按照均匀分布放置在网络中，且每个光网络单元ONU与分光器之间的分支光纤长度不超过1km。所有光网络单元ONU被分配相同的30个单位容量，每个光网络单元ONU的业务负载(有线用户业务)在[1,10]之间随机生成。随机选择其中5个光网络单元ONU为其配置无线功能模块，形成ONU-WG，作为前端无线网络与后端无源光网络的接口设备。网络中共需要布置N个无线路由器，N∈{10,15,20,25,30}，所有无线路由器的传输范围均设置在800m，每个无线路由器的业务负载在[1,4]之间随机生成。每个无线路由器到其目的ONU的无线接入跳数不超过H跳。在本实施例中，所有无线路由器有相同的传输范围，因此只有位于彼此传输范围内的两个无线路由器之间才存在可用的双向无线链路。每个无线路由器负责聚合来自其覆盖范围内的用户业务，并通过无线多跳路径将业务传递到其目的光网络单元ONU。每个无线路由器有唯一的目的光网络单元ONU，且目的光网络单元ONU有足够剩余容量承载其所有下属无线路由器的总业务量，从而保证来自无线路由器的业务带宽需求。在无线路由器与其目的光网络单元ONU之间至少存在一条长度小于H跳的无线路径实现业务接入，确保无线路由器到光网络单元ONU的端到端时延要求。本实施例中涉及到的已知参数和变量定义如下：m：网格单元编号，m∈{1,2,3,…,M×M}。lm：编号为m的网格单元中心点。K：无线路由器数量。i,k：无线路由器编号，i,k∈{1,2,3,…,K}。Ri：编号为i的无线路由器。x：ONU编号。Ox：编号为x的ONU。无线路由器Ri到ONUOx的最短无线路径跳数。Φk：放置无线路由器Rk的候选位置集合。Rk放置在lm上的邻居无线路由器集合。T：无线路由器的传输范围。Cx：ONUOx的剩余容量。λk：无线路由器Rk的业务负载。ηk(lm)：网络覆盖重叠范围评估指标。Li：无线路由器Ri的放置位置。d(Li,lm)：位置Li与位置lm之间的距离。根据上述场景设置及参量定义，可将本发明的实施流程描述如图4所示，包括以下步骤：步骤1：将5km×5km的方形网络区域划分成10×10个网格单元，即M＝10。将网格单元从左至右、从上至下依次编号1，2，3，…，100，并以每个网格单元的中心点作为放置无线路由器的可能位置。步骤2：对于任意无线路由器初始化每个无线路由器到各ONU的最短无线路径跳数初始化无线路由器索引号k＝1。步骤3：遍历网络中所有未放置无线路由器的网格单元中心点，计算出可以放置无线路由器Rk的候选位置集合Φk，具体如下：步骤3-1：对于其中任意一个网格单元中心点lm，计算出Rk放置在lm上的邻居无线路由器集合步骤3-2：若lm满足如下条件“存在无线路由器使得并且ONUOx的剩余容量”，即无线路由器Rk放置在lm上可以满足无线接入跳数限制和ONU容量限制，那么将lm作为Rk的一个候选位置，Φk←Φk∪lm。步骤4：对于集合Φk中任意候选位置lm∈Φk，计算出无线路由器Rk放置在lm上的网络覆盖重叠范围其中，ηk(lm)越小，Rk的网络覆盖范围越大，如图5所示。步骤5：以最大化网络覆盖范围为目标，从集合Φk中选出无线路由器Rk的最佳放置位置步骤6：将无线路由器Rk放置到网格单元中心点上，计算Rk到每个ONU(如Ox)的最短无线接入跳数据此，决策出Rk的目的ONU其中且步骤7：根据节点Rk及其邻居节点集合更新网络中每个无线路由器到每个ONU的最短路径跳数根据新的最短路径重新选择无线路由器的目的ONU，并将Ri的负载从原先的目的ONU迁移到新的目的ONU。步骤8：判断k＝K是否成立。如果是，说明已完成所有K个无线路由器的布置，转向步骤9；否则，更新无线路由器索引号k←k+1，返回步骤2，放置新的无线路由器。步骤9：输出K个无线路由器各自的放置位置及其目的ONU。根据上面的实施例，对本发明提出的MCHOC方法与随机布置方法在1)网络覆盖范围；2)未过载ONU比例；3)满足跳数约束的无线路由器比例等指标方面进行性能比较，并分析不同无线跳数约束H对MCHOC方法性能的影响。图6为MCHOC方法与随机布置方法在网络覆盖范围方面的性能比较结果。为简化网络覆盖范围的计算，整个方形网络区域被划分成100×100个小网格。定义每个小网格作为一个单位的网络覆盖面积。对于任意一个小网格，若其中心点位于网络中任意无线路由器的传输范围之内，就认为这个小网格区域已被网络覆盖，相应的网络覆盖面积增加1个单位。网络覆盖范围越大，网络可扩展性能越好。从图中可以看出，随着无线路由器数量的逐渐增加，MCHOC方法与随机布置方法的网络覆盖范围逐渐增大。尽管如此，所提出的MCHOC方法能实现比随机布置方法更大的网络覆盖范围，这是因为随机布置方法只保证每个无线路由器至少能连接到一个ONU，忽略了网络覆盖范围的优化，而MCHOC方法考虑了最大化网络覆盖范围的优化目标。此外，随着无线接入跳数约束H的逐渐增加，每个无线路由器的放置将有更多候选位置，这有利于增加网络覆盖范围。因此，可以观察到MCHOC方法在H较大时能提供更大的网络覆盖范围，例如，相对比随机布置方法，MCHOC(H＝3)增加网络覆盖范围达47.8％；MCHOC(H＝4)增加网络覆盖范围达65.2％。图7为MCHOC方法与随机布置方法在未过载光网络单元ONU比例方面的性能比较结果。当一个ONU的业务负载超过其容量限制时，认为该光网络单元ONU过载。过载光网络单元ONU无法保证业务的带宽需求，不利于业务传输。定义未过载光网络单元ONU比例作为网络中未发生过载的光网络单元ONU数量与光网络单元ONU总数量的比值，因此未过载光网络单元ONU比例越大，网络性能越好。随着无线路由器数量的逐渐增加，每个光网络单元ONU将承担更多负载。对于随机布置方法，因为没有考虑光网络单元ONU容量约束，所以路由器数量的增加导致网络中出现更多的过载光网络单元ONU，因此未过载光网络单元ONU比例逐渐下降。尽管如此，本发明提出的MCHOC方法考虑了ONU容量约束对无线路由器放置位置的影响，保证了网络中所有光网络单元ONU均不会发生过载。因此可以观察到，MCHOC方法未过载光网络单元ONU比例始终保持为1，并且不随跳数限制H变化。图8为MCHOC方法与随机布置方法在满足跳数限制的无线路由器比例方面的性能比较结果。满足跳数限制的无线路由器比例定义为网络中满足无线接入跳数限制的无线路由器数量与无线路由器总数量的比值。满足跳数限制的无线路由器比例越大，网络性能越好。随机布置方法未考虑无线路由器到目的光网络单元ONU之间的无线接入跳数限制，导致大量无线路由器无法满足无线接入跳数限制，即满足跳数限制的无线路由器比例小于1。相比之下，本发明提出的MCHOC方法在放置每个无线路由器时考虑了其无线接入跳数限制，因此满足跳数限制的无线路由器比例始终保持为1，并且不随跳数限制H变化。综上所述，本发明提出的MCHOC方法能在满足无线路由器的接入跳数限制及光网络单元ONU容量限制的情况下，实现比随机布置方法更大的网络覆盖范围。因此能在保证业务服务质量及服务体验的情况下改善网络可扩展能力。