一种自组织拓扑的光通信网络及其拓扑自组织方法与流程

本发明涉及光通信技术，尤其涉及一种自组织拓扑的光通信网络及其拓扑自组织方法。

背景技术：

光通信泛指利用光来携带和传播信息的通信方式，人类对光通信的设想由来已久，甚至可以追溯到有线电通信和无线电通信技术普及之前。直到1966年，诺贝尔奖金获得者、英国籍华人高锟博士发表论文提出利用高纯度玻璃纤维实现低损耗光信号传导，进而，1970年美国康宁公司成功研制了每千米传输损耗低至20db的光纤，激光器等技术也相继成熟，才使得基于光纤作为传导介质的光通信迅速走入实用阶段。1977年世界上第一条商用的通信光纤在美国运行，发展到20世纪90年代，电话、互联网等通信业务的骨干网络已经普遍采用光纤网。进入21世纪，光纤通信开始在″最后一公里″接入的领域得到普及，在我国光纤入户已经在多数大城市得到实现。

不过，现有技术中以光纤为介质建立的光通信网络属于有线的网络，在″最后一公里″的接入应用领域当中，采用光纤的有线网络在架线、施工等方面都存在一定的困难，也容易因为各种原因造成光纤断线。

自由空间光通信(fso)是利用携带信息的激光光束在空气中传播而实现的光通信技术，该技术通过在一个激光收发器和与其对应的另一个激光收发器之间发射和接收该携带信息的激光束，实现二者之间的通信。由于激光光束直接在空气中传播，无需搭建光纤，从而极大节约了光通信的成本，减少了施工布线的繁琐。激光光束在视距范围内直线传播，要求对应的两个激光收发器彼此在视距范围内且无明显遮挡，因此一般将二者都安装在城市中较高建筑物的楼顶天台，可见自由空间光通信特别适用于在城域范围内布设，解决每栋建筑内的光通信入户问题，实现主干网与最终用户之间″最后一公里″的网络连接，其有效避免了利用传统的光纤入户在线路施工和维护方面遇到的困境。

然而，虽然自由空间光通信(fso)去除了光纤这一有线介质的约束，但是在现有技术中，自由空间光通信(fso)仍然由各个激光收发器组成固定的网络拓扑结构，例如，图1中每个黑点表示一个激光收发器，图1的(a)、(b)、(c)、(d)中各个激光收发器分别构成点到点、网状、点到多点和环状拓扑。现有技术中采用固定拓扑的缺点包括：相对缺乏灵活性和鲁棒性，例如不能基于通信负荷的动态变化而自适应调节网络拓扑，一旦网络损坏无法自主恢复通信，等等。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术中存在的以上缺陷，本发明提出一种自组织拓扑的光通信网络及其拓扑自组织方法。本发明用于解决现有技术中自由空间光通信采用固定网络拓扑，不能适应通信负荷而动态调节网络结构、当某些节点损坏等原因中断后无法自主恢复网络通信的技术问题。

具体来说，本发明根据通信负荷量确定网络拓扑调整涉及的节点范围，按照节点布局以及所有可选择的激光传输路径组织传导网络，并且通过虚拟迭代，推演节点的路径变化对通信负荷的调节系数及其影响，实现网络拓扑与实际通信负荷的最优化匹配，改善网络整体的通信效率。以及，在原有的网络拓扑中的光通信路径因故发生中断的情况下，以快速恢复通信为原则建立起新的网络拓扑。

本领域技术人员可以理解，在采用自由空间光通信技术的基础上，本发明所称的″节点″指的是由激光收发器及配套设施组成的网络单元。

在本申请的一个方面，提出了一种自组织拓扑的光通信网络，包括：

路径可变网络，由预定数量的节点组成，其中每个节点可以与视距范围内的其它一个或者多个节点通过激光光束建立通信连接，从而在路径可变网络中形成通信路径，所述通信路径包括一个第一端点节点、一个第二端点节点以及至少一个中间节点；

通信负荷获取模块，用于获取预设时间段内路径可变网络中每条已有通信路径上的通信负荷量；

拓扑调度模块，与所述通信负荷获取模块连接，用于获取所述通信负荷量，并基于对所述通信负荷量的预测，生成调节路径可变网络中节点之间通信路径的调度方案；

拓扑调节模块，根据所述调度方案向所述路径可变网络中的节点发送调度信息，以令所述节点根据所述调度信息与其它节点通过激光光束建立新的通信路径。

在一些实施例中，所述拓扑调度模块包括：

信息存储单元，用于存储各个节点的通信容量最大允许阈值；

通信负荷预测单元，用于根据从所述通信负荷获取模块取得的已有通信路径上的通信负荷量，获得预设时间段内已有通信路径上的预测通信负荷量；

调度方案生成单元，用于当任意一条已有通信路径上的预测通信负荷量大于该路径中任一中间节点的通信容量最大允许阈值时，确定连接该已有通信路径的第一端点节点和第二端点节点的其它全部可选通信路径；根据所述可选通信路径的预测通信负荷量相对于该可选通信路径上的节点的通信容量最大允许阈值以及反馈量的函数关系，建立传导模型；其中，所述反馈量为对该可选通信路径的通信负荷的调节量；对所述传导网络调度模型进行迭代优化，生成调度方案。

在一些实施例中，所述根据所述可选通信路径的预测通信负荷量相对于该可选通信路径上的节点的通信容量最大允许阈值以及反馈量的函数关系，建立传导模型，具体包括：

建立各条可选通信路径中预测通信负荷量与该可选通信路径上的节点的通信容量最大允许阈值w以及反馈量b的函数关系c＝f(w，b)；

对函数c＝f(w，b)进行迭代优化，使得最终得到的各条可选通信路径的预测通信负荷量c的平均值c’达到预先设定的阈值范围；

在每一步的迭代过程中，以降低平均值c’为目标，调整各可选通信路径的通信容量最大允许阈值w和反馈量b，并将调整后的平均值c1’与平均值c’对比，若调整后的平均值c1’低于平均值c’，则该调度方案可取，并继续迭代，直到n次调整后的平均值cn’达到期望值。

在一些实施例中，在不同时间段，所述平均值的预先设定的期望值范围不同。

优选的是，在由于中间节点中断而导致任一已有通信路径失效的情况下，所述拓扑调度模块确定连接该已有通信路径的第一端点节点和第二端点节点的至少一条可选通信路径，并根据该可选通信路径生成路径恢复方案。

优选的是，所述拓扑调节模块根据所述路径恢复方案向所述路径可变网络中的节点发送调度信息，以令所述节点根据所述调度信息与通过激光光束建立从第一端点节点到第二端点节点的恢复通信路径。

进而，本发明提供了一种自由空间光通信的网络拓扑自组织方法，应用于路径可变网络，所述路径可变网络由预定数量的节点组成，其中每个节点可以与视距范围内的其它一个或者多个节点通过激光光束建立通信连接，从而在路径可变网络中形成通信路径，所述通信路径包括一个第一端点节点、一个第二端点节点以及至少一个中间节点；

所述网络拓扑自组织方法包括：

通信负荷获取步骤，获取预设时间段内路径可变网络中每条已有通信路径上的通信负荷量；

拓扑调度步骤，获取所述通信负荷量，并基于对所述通信负荷量的预测，生成调节路径可变网络中节点之间通信路径的调度方案；

拓扑调节步骤，根据所述调度方案向所述路径可变网络中的节点发送调度信息，以令所述节点根据所述调度信息与其它节点通过激光光束建立新的通信路径。

在一些实施例中，拓扑调度步骤包括：

容量阈值获取步骤，取得预先存储的各个节点的通信容量最大允许阈值；

通信负荷预测步骤，根据已有通信路径上的通信负荷量，获得预设时间段内已有通信路径上的预测通信负荷量；

调度方案生成步骤，用于当任意一条已有通信路径上的预测通信负荷量大于该路径中任一中间节点的通信容量最大允许阈值时，确定连接该已有通信路径的第一端点节点和第二端点节点的其它全部可选通信路径；根据所述可选通信路径的预测通信负荷量相对于该可选通信路径上的节点的通信容量最大允许阈值以及反馈量的函数关系，建立传导模型；其中，所述反馈量为对该可选通信路径的通信负荷的调节量；对所述传导模型进行迭代优化，生成调度方案。

在一些实施例中，所述根据所述可选通信路径的预测通信负荷量相对于该可选通信路径上的节点的通信容量最大允许阈值以及反馈量的函数关系，建立传导模型，具体包括：

建立各条可选通信路径中预测通信负荷量与该可选通信路径上的节点的预计通信容量w以及反馈量b的函数关系c＝f(w，b)；

对函数c＝f(w，b)进行迭代优化，使得最终得到的各条可选通信路径的预测通信负荷量c的平均值c’达到预先设定的阈值范围；

在每一步的迭代过程中，以降低平均值c’为目标，调整各可选通信路径的节点的预计通信容量w和反馈量b，并将调整后的平均值c1’与平均值c’对比，若调整后的平均值c1’低于平均值c’，则该调度方案可取，并继续迭代，直到n次调整后的平均值cn’达到期望值。

在一些实施例中，在不同时间段，所述平均值的预先设定的期望值范围不同。

优选的是，在由于中间节点中断而导致任一已有通信路径失效的情况下，所述网络拓扑自组织方法还包括：路径恢复方案生成步骤，确定连接该已有通信路径的第一端点节点和第二端点节点的至少一条可选通信路径，并根据该可选通信路径生成路径恢复方案。

优选的是，所述网络拓扑自组织方法还包括：路径恢复步骤，根据所述路径恢复方案向所述路径可变网络中的节点发送调度信息，以令所述节点根据所述调度信息与通过激光光束建立从第一端点节点到第二端点节点的恢复通信路径。

可见，本发明在采用自由空间光通信技术的基础上，在以激光收发器为基础的节点之间建立了可以实现拓扑自组织的网络结构，能够根据通信负荷量确定网络拓扑调整涉及的节点范围，按照节点布局以及所有可选择的激光传输路径组织传导网络，并且通过虚拟迭代，推演节点的路径变化对通信负荷的调节系数及其影响，实现网络拓扑与实际通信负荷的最优化匹配，改善网络整体的通信效率。以及，在原有的网络拓扑中的光通信路径因故发生中断的情况下，以快速恢复通信为原则建立起新的网络拓扑，从而，本发明相对于现有的自由空间光通信技术具有更强的灵活性和鲁棒性，可以极大改善″最后一公里″网络接入的效率和可靠性。

说明书附图

图1是现有技术中的自由空间光通信网络拓扑结构示意图；

图2是本发明提出的自组织拓扑的光通信网络结构示意图；

图3是本发明提出的自组织拓扑的光通信网络中拓扑调度模块的具体结构示意图；

图4是本发明提出的光通信网络拓扑自组织方法流程图；

图5是本发明提出的光通信网络拓扑自组织方法中拓扑调度步骤的具体过程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。

图2是本发明提供的自组织拓扑的光通信网络的整体结构示意图。如图2所示，该光通信网络的基础是一个采用自由空间光通信技术的路径可变网络1。该路径可变网络1由预定数量的节点101组成，其中每个节点101都包括至少两个激光收发器，从而每个节点101可以与视距范围内的其它一个或者多个节点101通过激光光束建立通信连接。通过节点101之间的通信连接，从而在路径可变网络1中形成了一定数量的节点到节点之间通信路径。由于采用视距通信，因此如果一条通信路径实现第一端点节点101a到第二端点节点101b之间的通信连接，从第一端点节点101a到第二端点节点101b除了二者直接建立通信连接以外，还包括以至少一个中间节点101c作为中继节点的情形。

通信负荷获取模块2，用于获取预设时间段内，路径可变网络1中每条已有通信路径上的通信负荷量。所述通信负荷获取模块2可以基于所述路径可变网络1的通信路径，从任何一个节点101获取该节点通信状态相关的信息。具体来说，所述通信负荷获取模块2以及后面介绍的拓扑调度模块、拓扑调节模块都可以设置在路径可变网络1的一个节点上，一般可以设置在实现该路径可变网络1与主干光纤网络互连互通的接口节点之上。从而，路径可变网络1的每个节点可以以该接口节点为目的地而发送本节点通信状态相关的信息，这一信息被直接或者经中间节点转发而传输至所述接口节点。该与节点通信状态相关的信息包括该节点101在与其连接的每条通信连接上的数据收发吞吐量。从而，通信负荷获取模块2可以获得在过去一个预设时间段内(例如过去10分钟内)每个节点的平均数据收发吞吐量。进而，通信负荷获取模块2计算每条已有通信路径的通信负荷量，该通信负荷量被定义为该通信路径上包含的全部节点的平均数据收发吞吐量中的最大值。

拓扑调度模块3，与所述通信负荷获取模块2连接，从而可以获取路径可变网络1当中当前已有的每条通信路径的所述通信负荷量。并且，拓扑调度模块3基于对每条已有通信路径在未来预定时间段上所述通信负荷量的预测，生成调节路径可变网络1中节点之间通信路径的调度方案。

图3示出了拓扑调度模块3的具体结构示意图，所述拓扑调度模块包括：信息存储单元301、通信负荷预测单元302以及调度方案生成单元303。其中，信息存储单元301，用于存储路径可变网络1当中各个节点的通信容量最大允许阈值；构成路径可变网络1的每个节点的数据收发吞吐量都有其设计的上限值，一旦超出该上限值则该节点的数据收发就会发生过载，出现丢包、延迟过大的情况；每个节点的该数据收发吞吐量的上限值都作为该节点对应的所述通信容量最大允许阈值，被存储在信息存储单元301的表单之中。通信负荷预测单元302，用于根据从所述通信负荷获取模块2取得的路径可变网络1中每条已有通信路径上的通信负荷量，获得预设时间段内该网络1当中每条已有通信路径上的预测通信负荷量。具体来说，通信负荷预测单元302可以根据一条已有通信路径在过去若干个预设时间段内通信负荷量的平均变化率(平均增长率和平均下降率)，以及根据最后一个预设时间段内通信负荷量的值，求得该条通信路径上在未来一个预设时间段的预测通信负荷量。调度方案生成单元303，用于当任意一条已有通信路径上的预测通信负荷量大于该路径中任一中间节点的通信容量最大允许阈值时，确定连接该已有通信路径的第一端点节点和第二端点节点的其它全部可选通信路径；根据所述可选通信路径的预测通信负荷量相对于该可选通信路径上的节点的通信容量最大允许阈值以及反馈量的函数关系，建立传导模型；其中，所述反馈量为对该可选通信路径的通信负荷的调节量；对所述传导模型进行迭代优化，生成调度方案。调度方案生成单元303如何实现传导模型的建立以及通过迭代优化生成调度方案的过程将在下文中给予具体说明。

拓扑调节模块4，根据所述拓扑调度模块3生成的调度方案，向所述路径可变网络1中的节点发送调度信息，以令所述节点根据所述调度信息与其它节点通过激光光束建立新的通信路径。拓扑调节模块4所在的节点同样利用路径可变网络1中已有的通信路径，向网络中的其它节点广播所述调度信息，调度信息包括根据所述调度方案，每个节点需要建立通信连接的其它节点，以及执行路径调整的时隙，该时隙预定全部节点进行拓扑调整的时间点。每个节点收到所述调度信息之后，根据该调度信息检查自身是否需要在该预定的时隙中，与其它节点通过激光光束建立新的通信连接，和/或结束与其它节点现有的通信连接。进而，当到达预计执行拓扑调整的时隙后，路径可变网络1中的全部节点按照所述调度信息，通过调整激光光束的发射方向，执行自身与其它节点之间通信连接的调整，从而完成对网络拓扑的自组织调节。

基于上述光通信网络，本发明提供了一种自由空间光通信的网络拓扑自组织方法，应用于图2所示的路径可变网络，所述路径可变网络由预定数量的节点组成，其中每个节点可以与视距范围内的其它一个或者多个节点通过激光光束建立通信连接，从而在路径可变网络中形成通信路径，所述通信路径包括一个第一端点节点、一个第二端点节点以及至少一个中间节点。如图4所示，所述网络拓扑自组织方法包括：

通信负荷获取步骤s1，获取预设时间段内路径可变网络中每条已有通信路径上的通信负荷量；

拓扑调度步骤s2，获取所述通信负荷量，并基于对所述通信负荷量的预测，生成调节路径可变网络中节点之间通信路径的调度方案；

拓扑调节步骤s3，根据所述调度方案向所述路径可变网络中的节点发送调度信息，以令所述节点根据所述调度信息与其它节点通过激光光束建立新的通信路径。

其中，更具体来说，如图5所示，拓扑调度步骤s2包括：

容量阈值获取步骤s201，取得预先存储的各个节点的通信容量最大允许阈值；

通信负荷预测步骤s202，根据已有通信路径上的通信负荷量，获得预设时间段内已有通信路径上的预测通信负荷量；

调度方案生成步骤s203，用于当任意一条已有通信路径上的预测通信负荷量大于该路径中任一中间节点的通信容量最大允许阈值时，确定连接该已有通信路径的第一端点节点和第二端点节点的其它全部可选通信路径；根据所述可选通信路径的预测通信负荷量相对于该可选通信路径上的节点的通信容量最大允许阈值以及反馈量的函数关系，建立传导模型；其中，所述反馈量为对该可选通信路径的通信负荷的调节量；对所述传导模型进行迭代优化，生成调度方案。

在s203步骤中，所述根据所述可选通信路径的预测通信负荷量相对于该可选通信路径上的节点的通信容量最大允许阈值以及反馈量的函数关系，建立传导模型，具体包括：

建立各条可选通信路径中预测通信负荷量c与该可选通信路径上的全部节点的预计通信容量w以及反馈量b的函数关系c＝f(w，b)

其中，每条可选通信路径中的预测通信负荷量c为：

c＝map(w)

函数map表示该可选通信路径中的预测通信负荷量c与该路径上的全部节点的预计通信容量w之间的映射关系，二者之间可以采用一个固定的映射比例来表示，因而可以用映射表的形式存储该映射比例。

并且，每一个可选通信路径中全部节点的预计通信容量w为：

其中，wi表示可选通信路径中每个节点的预计通信容量，bi表示每轮迭代该节点的通信容量增减的反馈量，βi表示该节点向该通信路径中其它节点的传导系数，该系数βi是一个与wi对应的映射系数值，可以预先保存该βi与wi的映射表，k表示该通信路径中节点的总数量。

进而，对该函数c＝f(w，b)进行迭代优化，使得最终得到的各条可选通信路径的预测通信负荷量c的平均值c’达到预先设定的阈值范围；其中，对各条路径各自的函数c＝f(w，b)，首先取当前实际的各节点通信容量和通信路径的预测通信负荷量c作为初始条件代入该函数，并且将b值设为一个初始值。

进而，执行迭代优化，在每一步的迭代过程中，以降低平均值c’为目标，调整各可选通信路径的节点的预计通信容量w和反馈量b，并将调整后的平均值c1’与平均值c’对比，若调整后的平均值c1’低于平均值c’，则该调度方案可取，并继续迭代，直到n次调整后的平均值cn’达到期望值，从寻找模型的最优解。即，随机改变反馈量b值一个单位(例如，随机增大或者减小各个可选路径的b值一个单位)，根据改变的b值重新计算w值，然后根据预存储的w值和预测通信负荷量c的映射关系，获得每一条通信路径的预测通信负荷量c；进而统计获得全部路径的平均值作为c1’，与原c’比较；若c1’低于原c’，则该调度方案有效，在下一轮迭代中继续以相同方式调整各个反馈量b的值一个单位，即如果本轮是增大了某一可选路径的反馈量b，则下一轮迭代继续增大该反馈量的b值一个单位，如果本轮是降低了某一可选路径的反馈量b，则下一轮迭代继续降低该反馈量的b值一个单位；相反，如果调整各条可选路径的b值后使c1’高于该原c’，则在下一轮迭代中以与本轮相反方式来调整各可选路径的b值；最终，通过迭代n轮改变各个反馈量b的值，使cn’达到期望值，其中，考虑到通信容量在全天各时段分布的不均衡性，在不同时间段，所述平均值的预先设定的期望值范围不同。

回到图2，在由于中间节点中断而导致任一已有通信路径失效的情况下，所述拓扑调度模块3执行路径恢复方案生成步骤，确定连接该已有通信路径的第一端点节点和第二端点节点的至少一条可选通信路径，并根据该可选通信路径生成路径恢复方案。所述拓扑调节模块4执行路径恢复步骤，根据所述路径恢复方案向所述路径可变网络中的节点发送调度信息，以令所述节点根据所述调度信息与通过激光光束建立从第一端点节点到第二端点节点的恢复通信路径。

可见，本发明在采用自由空间光通信技术的基础上，在以激光收发器为基础的节点之间建立了可以实现拓扑自组织的网络结构，能够根据通信负荷量确定网络拓扑调整涉及的节点范围，按照节点布局以及所有可选择的激光传输路径组织传导网络，并且通过虚拟迭代，推演节点的路径变化对通信负荷的调节系数及其影响，实现网络拓扑与实际通信负荷的最优化匹配，改善网络整体的通信效率。以及，在原有的网络拓扑中的光通信路径因故发生中断的情况下，以快速恢复通信为原则建立起新的网络拓扑，从而，本发明相对于现有的自由空间光通信技术具有更强的灵活性和鲁棒性，可以极大改善″最后一公里″网络接入的效率和可靠性。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。