可抗毁光纤--无线宽带接入网的部署机制研究

摘要

大数据、云计算和移动互联网等新兴业务的不断涌现，使得通信技术迅猛发展。然而，通信网中的本地用户终端接入网由于发展滞后，造成了信息高速公路中“最后一公里”的瓶颈。作为下一代极具发展前景的宽带接入技术之一，光纤-无线(Fiber-Wireless，FiWi)宽带接入网集成了无线接入网灵活性好、成本低，以及光纤接入网可靠性强、容量大等技术优势，可以支持新型的多媒体业务，同时获得更灵活的网络控制能力，满足更高的带宽需求并提供更好的服务质量(Quality of Service，QoS)。因此，对FiWi宽带接入网的研究备受学术界和工业界的关注。 近年来全球范围内自然灾害频发为可抗毁网络的部署提出了严峻挑战。由于FiWi宽带接入网中承载了大量数据，其网络部件一旦出现故障，将会导致严重的服务中断以及数据业务的丢失，从而造成运营商及用户终端不可估计的经济损失。因此，如何有效地实现FiWi宽带接入网的部署，同时改善FiWi宽带接入网的可抗毁能力、保障数据业务的连续性已成为工业界和学术界共同关注的焦点问题。 本文聚焦可抗毁FiWi宽带接入网的部署机制研究，结合FiWi宽带接入网的故障类型多样、拓扑结构复杂、网络部署环境多变等典型特征，从面向单分支光纤链路失效的保护部署、面向多分支光纤链路失效的保护部署、面向无线-光部件联合失效的保护部署、基于Small Cell结构的FiWi接入网保护部署等方面对当前可抗毁FiWi宽带接入网部署现状进行深入研究，并概括当前研究中所存在的问题:面向单分支光纤链路失效的保护部署研究片面、面向多分支光纤链路失效的保护部署研究不足、面向无线-光部件联合失效的保护部署研究有待探索、基于Small Cell结构的FiWi接入网保护部署尚存研究空白。针对这些问题，本文立足下一代可抗毁宽带接入网的研究前沿，挖掘问题的本质并剖析当前的技术难点，探索一系列新颖的解决方法。 (1)面向单分支光纤链路失效的保护部署 针对单分支光纤链路失效的问题，部分研究采用铺设备份光纤的方式对分支光纤链路进行保护。然而，这种保护方式会大大增加网络的部署成本。而且，大多数研究在考虑可抗毁FiWi宽带接入网部署时，都是以降低备份光纤的部署成本为优化目标，而忽略用户终端对网络覆盖、连通性以及时延等方面的需求。因此，本文针对FiWi宽带接入网部署过程中后端无源光网络(Passive Optical Network，PON)的单分支光纤链路失效的问题，提出采用前端无线Mesh网络(Wireless Mesh Network)重路由的保护机制，并设计了一种可抗毁最大覆盖方案MCPS(Maximum Covering Planning with Survivability)。以最大化网络覆盖范围为目标，MCPS重点解决可抗毁FiWi宽带接入网的部署问题。通过整数线性规划(Integer Linear Programming，ILP)进行数学建模并获得最优解，在网络时延、网络连通性、网络成本以及网络容量等多个方面，来满足网络QoS的要求;然后，考虑到ILP求解的复杂性，本文提出了高效的启发式算法，来获得近似于ILP模型最优解的次优解，使得网络在满足可抗毁要求的情况下完成网络部署并实现最大化网络覆盖。 (2)面向多分支光纤链路失效的保护部署 以往的研究大多聚焦在单分支光纤链路失效的保护，所涉及的故障类型较为单一，未考虑网络故障中存在多分支光纤链路同时失效的问题。因此，需要为FiWi宽带接入网设计新型的针对多分支光纤链路失效的保护部署机制。首先，本文创新性地提出多分支光纤可抗毁保护方案SSMF(Survivability Strategies against Multi-fiber Failure)，应对FiWi宽带接入网中出现多条分支光纤同时失效的情况，并通过ILP对优化问题进行数学建模;然后，为了在较快的时间内获得近似最优解，提出了针对SSMF方案的启发式算法，通过无线路由器(Wireless Router，WR)以及集成了无线网关(Wireless Gateway，WG)功能的光网络单元(Optical Network Unit，ONU)的优化配置来部署网络，并在实现网络最大覆盖的同时来验证所提出的面向多分支光纤链路失效保护部署机制的可行性。 (3)面向无线-光部件联合失效的保护部署 现有的研究大多集中在针对后端PON网络光纤链路断裂失效的故障保护，忽略了对前端无线Mesh网络的保护。由于在部署有FiWi宽带接入网的大规模灾难场景中，在光纤链路断裂失效的同时也伴随着因WR故障造成的无线链路失效。在对光纤链路失效保护的同时，兼顾无线链路的失效保护，这为可抗毁FiWi宽带接入网部署机制增加了难度。因此，本文提出一种新颖的基于最大覆盖需求的保护方案PSMCR(Protection Scheme with Maximal Coverage Requirement)，针对无线-光部件联合失效的FiWi宽带接入网进行保护部署，并通过构建ILP数学模型来获得最优解;然后，为进一步验证PSMCR保护部署机制的可行性，设计出近于最优的启发式算法，并通过优化WR的放置位置以及配置各WR及ONU间的无线路径，实现可抗毁FiWi宽带接入网的优化部署及最大覆盖。 (4)基于Small Cell结构的FiWi接入网保护部署 随着移动业务的快速发展，移动运营商追求更灵活的接入方式、更高效的资源利用以及更可靠的业务管理，因此，基于Small Cell结构的FiWi宽带接入网应运而生。目前已有文献开始研究基于Small Cell结构的FiWi宽带接入网的部署，但是只局限在了最小化网络成本方面，而针对该网络可抗毁能力的研究还未被提出。然而，网络可抗毁能力是网络部署的要素之一，并且以往研究大多都是针对网络中单分段故障的场景，而对结构更加复杂的多分段FiWi宽带接入网的故障保护也是不可忽视的。因此，本文首先创新性地提出基于Small Cell结构的FiWi宽带接入网的部署方案，并设计Small Cell与WR功能相融合的网络部件，对网络中分段内的故障进行保护。在不同的网络场景，覆盖范围、时延、容量及成本等约束下，验证所提出部署方案的可行性;然后，进一步针对基于Small Cell结构的FiWi宽带接入网分段内外同时发生故障的情形，本文提出了一种新颖的完全故障保护机制，并在满足网络可抗毁性、延迟、容量以及连通性等要求下，通过对Small Cell及分光器的优化放置，实现网络对用户终端覆盖的最大化。 由于可抗毁FiWi宽带接入网的部署机制仍处于理论研究阶段，技术体系与协议架构都不够完善，现有的专业网络仿真软件（如Network Simulation3，OPNET等）大多都未提供可抗毁FiWi宽带接入网部署所需的基本模块。因此，本文利用专业的数学优化建模工具(ILOG CPLEX12.1)以及VC++6.0软件自主开发并搭建网络仿真平台，对文中所提出的保护部署机制进行理论验证及性能分析，整个网络的仿真是在Win7操作系统、4GBRAM、以及因特尔Xeon2.5GHz CPU的个人电脑上调试运行。仿真结果表明，所提出的保护部署机制在保障业务的连续性、增加网络覆盖、改善网络部署成本、减少网络时延等方面具有显著的优势。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1 FiWi宽带接入网概述

1．1．1接入网技术研究背景

1．1．2光纤-无线宽带接入网

1．2可抗毁FiWi宽带接入网部署问题

1．2．1 FiWi宽带接入网抗毁问题

1．2．2 FiWi宽带接入网部署问题

1．3可抗毁FiWi宽带接入网部署研究现状

1．3．1 FiWi宽带接入网抗毁方法

1．3．2 FiWi宽带接入网部署方法

1．3．3可抗毁FiWi宽带接入网部署研究面临的挑战

1．4文章创新贡献和结构安排

1．5课题来源

第2章面向单分支光纤链路失效的FiWi接入网部署机制研究

2．1保护部署机制概述

2．2保护部署机制的ILP描述

2．2．1符号定义

2．2．2 ILP数学模型

2．2．3仿真结果与性能分析

2．3保护部署机制的启发式算法

2．3．1参数定义

2．3．2启发式算法描述

2．3．3复杂度分析

2．3．4仿真结果与性能分析

2．4本章小结

第3章面向多分支光纤链路失效的FiWi接入网部署机制研究

3．1保护部署机制概述

3．2保护部署机制的ILP描述

3．2．1符号定义

3．2．2 ILP数学模型

3．2．3仿真结果与性能分析

3．3保护部署机制的启发式算法

3．3．1参数定义

3．3．2启发式算法描述

3．3．3复杂度分析

3．3．4仿真结果与性能分析

3．4本章小结

第4章面向无线-光部件联合失效的FiWi接入网部署机制研究

4．1保护部署机制概述

4．2保护部署机制的ILP描述

4．2．1符号定义

4．2．2 ILP数学模型

4．2．3仿真结果与性能分析

4．3保护部署机制的启发式算法

4．3．1参数定义

4．3．2启发式算法描述

4．3．3复杂度分析

4．3．4仿真结果与性能分析

4．4本章小结

第5章基于Small Cell结构的FiWi接入网抗毁部署机制研究

5．1概述

5．2 SC-FiWi接入网分段内故障保护的部署机制研究

5．2．1保护部署机制概述

5．2．2符号定义

5．2．3 ILP数学模型

5．2．4仿真结果与性能分析

5．3 SC-FiWi接入网完全故障保护的部署机制研究

5．3．1保护部署机制概述

5．3．2符号定义

5．3．3 ILP数学模型

5．3．4仿真结果与性能分析

5．4本章小结

第6章总结与展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间的研究成果

作者简介