本發(fā)明涉及一種epon規(guī)劃方法，特別是一種面向多目標(biāo)的epon規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
為配用電通信網(wǎng)中一種重要的光纖接入技術(shù)，epon的規(guī)劃優(yōu)化成為研究的重點。epon中的olt負(fù)責(zé)配電側(cè)和上層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互，其數(shù)量和位置對網(wǎng)絡(luò)可靠性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。因此，合理規(guī)劃部署olt是建設(shè)經(jīng)濟(jì)可靠的epon的關(guān)鍵。
專利號為cn102307357a的《一種網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法及系統(tǒng)》的專利，其公開了一種網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方法及系統(tǒng)，其特征對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的路測數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，得到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃所需的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息。根據(jù)所述可行解利用禁忌搜索算法、模擬退火算法或蟻群算法得到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的最終解。模擬退火算法雖具有擺脫局部最優(yōu)解的能力，能夠以隨機(jī)搜索技術(shù)從概率的意義上找出目標(biāo)函數(shù)的全局最小點。但是，由于模擬退火算法對整個搜索空間的狀況了解不多，不便于使搜索過程進(jìn)入最有希望的搜索區(qū)域，使得模擬退火算法的運算效率不高。模擬退火算法對參數(shù)(如初始溫度)的依賴性較強(qiáng)，且進(jìn)化速度慢。
專利號為cn102981099a的《基于遺傳算法的配電網(wǎng)單相接地故障定位方法及定位裝置》的專利2，公開了一種基于遺傳算法的配電網(wǎng)單相接地故障定位方法及定位裝置。該定位方法充分利用了零序電流暫態(tài)分量，通過小波變換提取零序電流的準(zhǔn)確相位信息，并利用具有出色全局尋優(yōu)能力的遺傳算法來搜尋故障區(qū)段。但是該方法適用的場景有限，而且實現(xiàn)起來較復(fù)雜，實時處理工作量大大增加，負(fù)擔(dān)和代價較大。
專利號為cn105025497a的《一種網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法及系統(tǒng)》的專利3，公開了一種網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法及系統(tǒng)，該發(fā)明的關(guān)鍵是根據(jù)每個基站的特征參數(shù)，將具有相同地理經(jīng)緯度信息的基站劃分至同一站址；根據(jù)每個站址的地理經(jīng)緯度信息，將站址之間的地理經(jīng)緯度差值在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的站址劃分為一個基站簇。用以解決無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時造成網(wǎng)絡(luò)資源浪費的問題。但該方法需要計算的數(shù)據(jù)眾多，具體案例的決策方式需要具體分析，缺少算法限定，規(guī)劃目標(biāo)較為單一。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，而提供一種在保證epon可靠性和接入容量限制的基礎(chǔ)上，可以最大限度的節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)而實現(xiàn)建設(shè)高效、經(jīng)濟(jì)的一種面向多目標(biāo)的epon規(guī)劃方法。
一種面向多目標(biāo)的epon規(guī)劃方法，第一：建立模型，首先根據(jù)規(guī)劃過程中的指標(biāo)建立相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，包括建設(shè)成本、網(wǎng)絡(luò)平均時延兩個目標(biāo)函數(shù)模型，網(wǎng)絡(luò)可靠性、和接入容量限制兩個限制條件；第二：基于遺傳算法的規(guī)劃過程，(1):首先給出一種olt規(guī)劃方案，方案經(jīng)過編碼后通過進(jìn)入到算法；
(2)：計算該方案的網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)值和接入容量，若該方案滿足預(yù)設(shè)的限制條件，則該方案通過，并得到該方案的建設(shè)成本和網(wǎng)絡(luò)時延的加權(quán)和，進(jìn)入第四步；若方案不滿足限制條件，則進(jìn)入第三步；
(3):該不滿足限制條件的方案經(jīng)過遺傳和變異產(chǎn)生新的方案，繼續(xù)重復(fù)步驟2，直到產(chǎn)生符合限制條件的方案；
(4).通過算法本身的特性，最終得出在滿足限制條件下的規(guī)劃方案，并使得成本和時延最低。
第三：得出最優(yōu)方案，根據(jù)實際不同的要求設(shè)定不同的限制條件，通過遺傳算法可得出不同限制條件下的最優(yōu)規(guī)劃方案。
(一)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本模型：網(wǎng)絡(luò)成本同時考慮olt站點的建設(shè)費用和epon線纜的鋪設(shè)費用，則線路的成本為
ci＝d1·l(1)
其中：c1為網(wǎng)絡(luò)線纜建設(shè)成本；d1為單位長度的線纜建設(shè)成本；l為epon線纜的建設(shè)長度。線纜長度取決于cp站點的位置和數(shù)目，這里采取聚類的方法，即每一個en站點接入到距離最近的cp站點，則建設(shè)線路總長度為
其中，lij為第i個en站點接入到第j個cp站點的長度；eij為0-1變量，即
站點建設(shè)成本為
c2＝m·d2(4)
其中，d2為cp站點安裝成本。
所以，總的建設(shè)成本模型為
c＝c1+c2
(二)網(wǎng)絡(luò)可靠性模型：epon中en終端到cp的路由為固定的單路由，一個完整的網(wǎng)絡(luò)中包含n個en終端，也就是有n條路由。cp站點越多，單個cp站點平均接入的en站點相對較少，單個cp故障影響的en就會越少，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也會相應(yīng)提高。
單個鏈路li的可靠性為
其中，tw為鏈路的正常工作時間，tall為總時間。
網(wǎng)絡(luò)的可靠性平均值，網(wǎng)絡(luò)平均可靠性為
其中：
網(wǎng)絡(luò)的可靠性是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化的一項重要指標(biāo)?；诳煽啃缘木W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化是在滿足給定的可靠性限制條件下，建設(shè)經(jīng)濟(jì)性最好的網(wǎng)絡(luò)。epon的可靠性分為網(wǎng)絡(luò)平均可靠性和單個鏈路可靠性。
(三)網(wǎng)絡(luò)平均時延模型：第i條鏈路端到端時延ti可表示為
其中，ts為cp和en的發(fā)送時延，tr為接收時延，兩者相對較小，可設(shè)為固定值。
其中l(wèi)i為第i條鏈路的光纖長度，c為光速。所以網(wǎng)絡(luò)的平均時延為
(四)接入容量限制：終端en的接入數(shù)量與cp數(shù)量、分光等級和分光比有關(guān)[6]。安裝的cp站點必須保證可接入所有的en終端站點。為了簡化，本文假設(shè)將odn放置在cp站點中。epon一般情況下多采用二級分光，只有在少數(shù)偏遠(yuǎn)地區(qū)和用戶分布較為分散的情況下采取三級或者三級以上的分光等級。
單個cp站點可以通過多個odn網(wǎng)絡(luò)接入多個en站點，若第i個cp站點接入en站點的個數(shù)為qi，為避免單個cp站點接入過多en站點而引起的排隊時延，每一個cp站點接入的en站點數(shù)量限制為
其中，q表示單個cp站點接入上限。
并且，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中還要保證安裝的cp站點必須覆蓋全部的en站點，即
因此，基于以上分析及建模，可以得到面向多目標(biāo)多約束條件的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，在不同場景中可以采取不同的目標(biāo)策略，進(jìn)而選擇適合該場景的算法進(jìn)行求解，最終得到最優(yōu)的olt選址部署方案。
基于遺傳算法的具體規(guī)劃過程為：step1：初始化種群，采用二進(jìn)制編碼，第一步是把網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點進(jìn)行編號并且排序，第二部是按照這個順序?qū)⒚總€節(jié)點當(dāng)作染色體的一個基因，當(dāng)基因值為1時，表示該節(jié)點被選為建設(shè)為olt的cp節(jié)點；
step2：染色體適應(yīng)度由經(jīng)濟(jì)性、可靠性、時延要求和覆蓋原則共同決定。適應(yīng)度公式為
step3：染色體進(jìn)行交叉和變異；
step4:計算染色體適應(yīng)度并選擇染色體。選擇算子采用正比于染色體適應(yīng)度的算子，
step5：若收斂，則算法結(jié)束；若不收斂，重復(fù)上述交叉和變異過剩，計算新的種群。
綜上所述的，本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)如下優(yōu)點：
本發(fā)明的面向多目標(biāo)的epon規(guī)劃方法首先基于站點的建設(shè)成本和光纖費用，采用聚類的方法構(gòu)造了經(jīng)濟(jì)成本模型。然后基于可靠性理論，建立epon通信鏈路可靠性模型和網(wǎng)絡(luò)可靠性模型，并構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)平均時延模型以及接入容量模型?；谏鲜瞿Ｐ?，建立了面向多優(yōu)化目標(biāo)、多約束條件的olt站點規(guī)劃模型。最后，使用遺傳算法對該最優(yōu)化問題進(jìn)行求解分析。通過仿真表明，該方法在保證epon可靠性和接入容量限制的基礎(chǔ)上，可以最大限度的節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)而實現(xiàn)建設(shè)高效、經(jīng)濟(jì)的epon。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的算法流程示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
實施例1
一種面向多目標(biāo)的epon規(guī)劃方法，第一：建立模型，首先根據(jù)規(guī)劃過程中的指標(biāo)建立相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，包括建設(shè)成本、網(wǎng)絡(luò)平均時延兩個目標(biāo)函數(shù)模型，網(wǎng)絡(luò)可靠性、和接入容量限制兩個限制條件；第二：基于遺傳算法的規(guī)劃過程，(1):首先給出一種olt規(guī)劃方案，方案經(jīng)過編碼后通過進(jìn)入到算法；
(2)：計算該方案的網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)值和接入容量，若該方案滿足預(yù)設(shè)的限制條件，則該方案通過，并得到該方案的建設(shè)成本和網(wǎng)絡(luò)時延的加權(quán)和，進(jìn)入第四步；若方案不滿足限制條件，則進(jìn)入第三步；
(3):該不滿足限制條件的方案經(jīng)過遺傳和變異產(chǎn)生新的方案，繼續(xù)重復(fù)步驟2，直到產(chǎn)生符合限制條件的方案；
(4).通過算法本身的特性，最終得出在滿足限制條件下的規(guī)劃方案，并使得成本和時延最低。
第三：得出最優(yōu)方案，根據(jù)實際不同的要求設(shè)定不同的限制條件，通過遺傳算法可得出不同限制條件下的最優(yōu)規(guī)劃方案。
其中：
1.模型介紹
(1)網(wǎng)絡(luò)成本模型：網(wǎng)絡(luò)成本同時考慮olt站點的建設(shè)費用和epon線纜的鋪設(shè)費用，則線路的成本為
c1＝d1·l(12)
其中：c1為網(wǎng)絡(luò)線纜建設(shè)成本；d1為單位長度的線纜建設(shè)成本；l為epon線纜的建設(shè)長度。線纜長度取決于cp站點的位置和數(shù)目，這里采取聚類的方法，即每一個en站點接入到距離最近的cp站點，則建設(shè)線路總長度為
其中，lij為第i個en站點接入到第j個cp站點的長度；eij為0-1變量，即
站點建設(shè)成本為
c2＝m·d2(15)
其中，d2為cp站點安裝成本。
所以，總的建設(shè)成本模型為
c＝c1+c2(16)
(2)網(wǎng)絡(luò)可靠性模型：網(wǎng)絡(luò)的可靠性是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化的一項重要指標(biāo)?；诳煽啃缘木W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化是在滿足給定的可靠性限制條件下，建設(shè)經(jīng)濟(jì)性最好的網(wǎng)絡(luò)。epon的可靠性分為網(wǎng)絡(luò)平均可靠性和單個鏈路可靠性。epon中en終端到cp的路由為固定的單路由，一個完整的網(wǎng)絡(luò)中包含n個en終端，也就是有n條路由。cp站點越多，單個cp站點平均接入的en站點相對較少，單個cp故障影響的en就會越少，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也會相應(yīng)提高。
單個鏈路li的可靠性為
其中，tw為鏈路的正常工作時間，tall為總時間。
網(wǎng)絡(luò)的可靠性平均值，網(wǎng)絡(luò)平均可靠性為
其中：
(3)網(wǎng)絡(luò)平均時延模型：第i條鏈路端到端時延ti可表示為
其中，ts為cp和en的發(fā)送時延，tr為接收時延，兩者相對較小，可設(shè)為固定值。
其中l(wèi)i為第i條鏈路的光纖長度，c為光速。所以網(wǎng)絡(luò)的平均時延為
(4)接入容量限制：終端en的接入數(shù)量與cp數(shù)量、分光等級和分光比有關(guān)[6]。安裝的cp站點必須保證可接入所有的en終端站點。為了簡化，本文假設(shè)將odn放置在cp站點中。epon一般情況下多采用二級分光，只有在少數(shù)偏遠(yuǎn)地區(qū)和用戶分布較為分散的情況下采取三級或者三級以上的分光等級。
單個cp站點可以通過多個odn網(wǎng)絡(luò)接入多個en站點，若第i個cp站點接入en站點的個數(shù)為qi，為避免單個cp站點接入過多en站點而引起的排隊時延，每一個cp站點接入的en站點數(shù)量限制為
其中，q表示單個cp站點接入上限。
并且，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中還要保證安裝的cp站點必須覆蓋全部的en站點，即
因此，基于以上分析及建模，可以得到面向多目標(biāo)多約束條件的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，在不同場景中可以采取不同的目標(biāo)策略，進(jìn)而選擇適合該場景的算法進(jìn)行求解，最終得到最優(yōu)的olt選址部署方案。
2.算法流程
遺傳算法是從代表問題可能潛在的解集的一個種群開始的，而一個種群則由經(jīng)過基因編碼的一定數(shù)目的染色體組成。在算法實現(xiàn)過程中，首先需要進(jìn)行染色體編碼，在產(chǎn)生初代種群之后，按照適者生存和優(yōu)勝劣汰的原理，逐代演化產(chǎn)生出越來越好的近似解，在每一次迭代過程中，根據(jù)問題域中染色體的適應(yīng)度大小選擇染色體，并借助于自然遺傳學(xué)的遺傳算子進(jìn)行組合交叉和變異，產(chǎn)生出代表新的解集的種群。這個過程將導(dǎo)致種群像自然進(jìn)化一樣的后生代種群比前代更加適應(yīng)于環(huán)境，末代種群中的最優(yōu)個體經(jīng)過解碼，可作為問題近似最優(yōu)解。其流程圖如圖1。
step1：初始化種群。采用二進(jìn)制編碼，第一步是把網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點進(jìn)行編號并且排序，第二部是按照這個順序?qū)⒚總€節(jié)點當(dāng)作染色體的一個基因，當(dāng)基因值為1時，表示該節(jié)點被選為建設(shè)為olt的cp節(jié)點。
step2：染色體適應(yīng)度由經(jīng)濟(jì)性、可靠性、時延要求和覆蓋原則共同決定。適應(yīng)度公式為
step3：染色體進(jìn)行交叉和變異。
step4:計算染色體適應(yīng)度并選擇染色體。選擇算子采用正比于染色體適應(yīng)度的算子，
step5：若收斂，則算法結(jié)束；若不收斂，重復(fù)上述交叉和變異過剩，計算新的種群。
本實施例未述部分與現(xiàn)有技術(shù)相同。