利用混合光纤 cables（纤维光缆）和自由空间光技术实现弹性无线网络规划

《Optical Switching and Networking》：Resilient wireless network planning using mixed optical fiber cabling and free space optical technologies

　　

摘要

对高速数据传输的需求推动了自由空间光学（FSO）技术的发展。FSO具有高全双工数据传输速率、低部署成本、低安装时间以及无需许可即可使用的优势。然而，FSO链路的性能会受到下雨、下雪和雾等恶劣天气条件的影响。另一方面，光纤电缆（OFC）技术是一种有线通信系统，具有传输距离远、噪声和干扰小以及数据传输速率高等优点。不过，OFC通信系统的部署和维护成本较高。为了解决FSO的局限性以及OFC的高成本问题，研究人员提出了一种名为“最优簇头连接性”（OCHC）的网络规划方案，该方案结合了OFC和FSO技术。通信链路的选择及其具体互连方式是根据技术的通信特性、通信链路的资本成本（作为模型）以及所提供的弹性程度（作为网络多样性模型）来确定的。OCHC旨在实现最优的网络规划拓扑结构，以提高网络多样性和降低资本成本。

仿真结果表明，OCHC能够实现优化的网络规划。FSO链路的占比是根据FSO和OFC的资本成本计算得出的。通过模拟不同的天气条件（如降雨、下雪、光束发散和能见度），评估了所提出的OCHC方案在应对这些条件下的性能。与其他采用贪婪算法的网络规划方法相比，OCHC在网络连通性和多样性方面表现更优。

引言

自由空间光学（FSO）是一种利用自由空间作为传输介质的无线通信系统。FSO技术具有带宽大、数据传输速率高、安装方便、部署速度快、安全性高、光束不可见、抗电磁干扰能力强以及无需许可即可使用等优点[1]。FSO通信要求发射端与接收端之间存在视距（LoS）条件。然而，FSO也有一些缺点，例如光束扩散衰减，在下雨、下雪和有雾等恶劣天气条件下性能会下降，而且光信号可能会被树木、山脉和建筑物等物理物体阻挡[2][3][4]。FSO技术在民用和军事领域有广泛的应用。在民用领域，FSO可用于高速数据传输的蜂窝网络（如5G通信[5]）、灾后恢复的备用通信系统、长距离远程连接、点对点和点对多点无线通信[6]、以及最后一公里通信[7]和无线视频传输等。在军事领域，FSO可用于空中通信、舰船与海岸之间的通信、卫星与其他卫星或地面站的通信以及太空通信[8][9][10]。

光纤电缆（OFC）技术是一种利用光纤作为传输介质的有线通信系统。OFC具有数据传输速率高、带宽大、延迟低、抗电磁干扰能力强以及传输距离长等优点[11]。不过，OFC的缺点包括部署和维护成本较高、安装时间较长[12]。全球核心基础设施主要采用OFC技术，因此，为了提高可靠性和减少服务中断时间，需要具有相同数据传输速率的冗余和替代通信技术[13]。由于其较高的吞吐量和安全性，FSO可以作为OFC的补充技术[14]。此外，在OFC难以部署或成本过高的地区，也可以使用FSO技术[15]。

网络通常会因物理通道、操作问题、IP流量拥堵或攻击等多种因素导致链路故障。因此，网络弹性是网络规划的重要要求，通过寻找网络中的其他替代路径来克服链路故障并提高性能和可靠性[16]。路径多样性是一种通过绕过故障节点来路由数据以实现网络弹性的机制[17]。然而，提供网络弹性会增加网络规划的成本。因此，网络弹性和规划成本之间存在矛盾，这导致了一个NP难问题——弹性网络设计问题。例如，全网状网络设计虽然提供了最大的网络弹性，但成本也最高。因此，需要高效的设计和规划来创建一个在考虑可用资源和预算的前提下具有弹性的网络[18]。视频流媒体应用需要具备网络弹性设计，以避免拥堵链路带来的错误[18]。

本文中，构成网络规划拓扑的结构化网络节点被称为“簇头”（Cluster Heads，简称CHs）。这些CHs可用于多种应用，包括基于簇的无线传感器网络（CB-WSNs）[19]、无线接入网络（RANs）[20]和第五代（5G）移动网络[21]。在CB-WSNs中，WSN被划分为由CH管理的传感器节点簇（例如，在IEEE 802.11 WiFi中作为接入点[22]）。因此，CB-WSNs中的CHs同时也是多跳CB-WSNs中的WSNs的CHs[19]。另一个通信层次将CB-WSNs的CHs与汇聚节点（Sink Node，简称SN）或基站（Base Station，简称BS）连接起来[23]。移动RANs被用于偏远地区，通过CHs、基站和中继器实现数据和互联网通信[20]。5G移动网络需要小型蜂窝基站[21]，因此5G蜂窝回程网络采用射频（RF）、OFC和FSO链路将接入网络与核心网络连接起来，以实现高数据传输速率[24,25]。

在文献[26]中提出了FSO的拓扑结构层次，包括三个层次：最优簇头定位（Optimal Cluster Head Localization，简称OCHL）、最优簇头连接性（Optimal Cluster Head Connectivity，简称OCHC）和最优路径确定（Optimal Path Determination，简称OPD）。OCHL旨在确定CHs的位置，以最大化网络多样性和覆盖范围。本文开发的OCHC层用于优化动态网络规划。OCHC的目标是确定CH对之间的合适链路类型，从而在最大化网络多样性的同时最小化CHs连接的总体资本成本。网络多样性反映了拓扑结构的弹性程度。本研究使用的链路类型包括OFC和FSO链路。本研究的主要贡献如下：

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介绍了通信链路的资本成本和代表拓扑弹性的网络多样性，并将其作为所提出网络规划方法的设计性能指标进行形式化和建模。

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提出了一个适应度函数，并对其进行建模，以便在一个方程中综合考虑两个相互冲突的设计性能指标，同时考虑预定义的设计参数（例如每个节点上的最小FSO和OFC收发器数量）。

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所提出的网络规划问题被数学化形式化、建模，并作为一个基于约束的优化问题进行解决。

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在不同的条件和场景下评估了所提出的方法的性能。

本文共包含六个部分，包括引言部分。第2部分探讨了相关工作。第3部分介绍了框架、系统建模、网络形式化、网络拓扑、网络资本成本和网络多样性。第4部分介绍了所提出的OCHC适应度函数和优化算法。第5部分评估了OCHC的效果。最后，第6部分对全文进行了总结。

章节摘录

相关工作

文献中使用了FSO技术来实现高吞吐量的连接性。然而，由于恶劣天气条件导致FSO链路性能下降，因此其他通信系统被用作冗余连接手段。光纤电缆（OFC）不受天气条件影响。与FSO链路相比，射频（RF）链路受天气条件的影响较小[27]。因此，OFC和RF链路常被用作混合连接技术。

OCHC的形式化和建模

在本节中，对所提出的“最优簇头连接性”（OCHC）方案进行了形式化和建模。首先解释了OCHC的框架及其具体应用场景。然后，对网络组件和设计指标（即网络资本成本和网络多样性）进行了数学建模。

OCHC优化算法

在本节中，通过定义适应度函数和优化问题的主要目标，对所提出的网络规划和设计算法进行了形式化。还详细描述了使用遗传算法（GA）实现OCHC方案的过程。

性能评估

本节对OCHC算法在各种条件下的性能进行了评估，以验证其可靠性的有效性。

结论

本研究开发了一种网络规划方法，结合了光纤电缆（OFC）和自由空间光学（FSO）技术来构建网络拓扑。本文使用的方法是“最优簇头连接性”（OCHC），该方法用于实现网络规划。所提出的网络由簇头（CHs）组成，这些CHs可以通过OFC或FSO链路相互连接。OCHC考虑了CHs之间连接的弹性。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

Yousef E.M. Hamouda

工程系，阿拉克萨大学，加沙，巴勒斯坦