Research on TAC Layer Planning Algorithm for Transport Network for Novonet Vision
褚文轩 CHU Wen-xuan
（中国移动通信集团河北有限公司石家庄分公司，石家庄 050000）
（China Mobile Communications Group Hebei Co.，Ltd. Shijiazhuang Branch，Shijiazhuang 050000，China）
摘要：以Novonet网络愿景为指导，创新提出基于整数线性规划及GIS技术的“汇聚TAC新增汇聚区划定算法”。该算法可以最小化传送网网络建设成本，解决传送网络瓶颈，有效提升TAC层的汇聚收敛与疏导能力。
Abstract: Guided by the vision of Novonet's network, the "additional TAC new convergence zone demarcation algorithm" based on integer linear programming and GIS technology is proposed. The algorithm can minimize the construction cost of the transmission network, solve the bottleneck of the transmission network, and effectively improve the aggregation convergence and grooming capabilities of the TAC layer.
关键词：Novonet；网络重构；整数线性规划；TAC；算法；优化步骤
Key words: Novonet；network reconstruction；integer linear programming；TAC；algorithm；optimization step
中图分类号：TN915.0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）23-0266-02
1 Novonet网络重构
目前国内各大运营商的传输网是在原有刚性通道承载模式下引入了IP化弹性机制而形成的网络架构，可以满足话音、基本数据业务的承载，但是随着万物互联、低时延、大容量等新型应用的井喷式发展，对网络提出了用户动态定制化、智能维护管理、即插即用等需求，需要重新构造网络架构，使之即具备云化资源自适应动态调度能力，又保持原有分层构建、结构清晰、经济建网的优点。
大势所趋，中国移动集团公司创造性的提出了NovoNet未来网络架构，如图1所示。
核心层电信集成云TIC（Telecom integrated Cloud）：以智能化资源管理、分配职能为核心，主要承载控制面单元和集中化的媒体面单元、CDN和核心流量调度部分。
边缘层电信集成云TIC（Telecom integrated Cloud）：面向无线、集客、宽带三大媒体面，实现业务媒体流的终结。
汇聚TAC（Telecom access center）：实现接入网及驻地网的业务流汇聚和收敛功能，并疏导至TIC层。
接入TAC（Telecom access center） ：实现全业务的接入（受限于哑资源能力如：光缆、机房、管道、光交箱等的布局）。
2 TAC层对于Novonet演进的重要作用
在重构的Novonet网络中，要达到为各种业务提供灵活、快速、按需连接服务的目的，需要现网核心层通过NFV/SDN技术向云化的TIC演进，实现full-mesh互联结构，以达到灵活、强大的业务服务能力。对于接入层，需要尽可能的延伸到客户接入点，实现客户业务的快速接入与汇聚，实现接入TAC的能力。
汇聚TAC层处于接入TAC与TIC之间，在Novonet中处于承上启下的网络层次。对下，汇聚与收敛接入TAC的海量的家宽、集客、5G、物联网甚至AR、VR业务；对上，需要将纷繁复杂的应用数据疏导到full-mesh的TIC网络中。所以汇聚TAC层的汇聚收敛能力，业务疏导能力，成为了Novonet中的重要环节，TAC层的能力好坏与否，直接关系能否支撑Novonet目标网络的资源灵活调度、业务与运维自动化、海量业务快速接入的能力。
同时，TAC层包含的汇聚机房、管道等网络元素，是中国移动在多年的传输网络建设中逐渐积累沉淀下来的，属于获取成本较高的战略性储备资源，制约因素较多。汇聚机房汇聚能力不足、管道管孔占用率高，这两个因素间互相关联、相互制约。因此，如何能够在有限的投入下，结合机房与管道的现网资源，实现TAC层汇聚和收敛能力、疏导能力的提升与演进，是需要重点关注的。
3 TAC层规划算法思路及原理介绍
TAC层规划算法是基于整数线性规划及GIS技术提出来的，它的计算过程既遵循了自下而上的业务驱动（按照集客、家客、无线三大业务需求→微网格→综合业务接入区→新增普通汇聚机房选址→新增汇聚机房选址），同时兼顾未来网络的演进和网络结构保持3到5年的稳定期，又结合了自顶而下的迭代方式进行测算。
3.1 汇聚TAC层新增汇聚区划定算法思路
①按照市政道路、铁路、河流、桥梁、山脉等天然障碍物形成的路由瓶颈及核心机房或现有的汇聚机房空间资源、电源容量等难以扩容形成的资源瓶颈，将现网划分成T个汇聚区，直接挂接在核心机房的汇聚机房纳入以核心节点为中心的汇聚区（分解成T个子问题，可以缩小运算规模）。②将新增汇聚机房的预期选定值设为K=0，分析2017年建设需求数据，瓶颈资源如果未耗尽，则依次累加2018、2019、2020、2021年建设需求（基础战略资源储备5年）。如果耗尽，则令K=k+1，k=0、1、2、…、i，直至计算出到2021年仍未耗尽的最小K值，K值即为允许新建汇聚机房数量。③确定i个候选汇聚机房（I=“新增普通汇聚机房划定算法输出”∪（“经过电源及空间扩容能达到汇聚机房要求的原有普通汇聚机房∩无纠纷、风险等的原有普通汇聚机房”））。④对于T个子问题，均输入对应的“G（V，E）：管道和道路的合成Topology（注：已去掉难以新建的路段，例如：山川、河流等），将瓶颈资源剩余容量设为常量”、候选汇聚机房。⑤算法输出的最优解即为“选定的新增汇聚机房集合”，最终确定新增汇聚区。
3.2 汇聚TAC层新增汇聚区划定算法成本约束建模
A：输入（常量）
①N：已有机房的集合（汇聚机房）
②Fn：第n个机房的纤芯总数
③I：候选机房列表（汇聚机房）
④G（V，E）：管道和道路的合成Topology（注：已去掉难以新建的路段，例如：山川、河流等）
⑤Me：第e条边中已有管道的数量
⑥Be：第e条边是否允许挖沟或扩容
⑦Ce：第e条边添加1个管道的成本
⑧Pni：第n个机房到第i个候选机房的路径（从G（V，E）中计算1条最短路）
⑨dni：Pni路径的物理距离
⑩K：允许建设新增汇聚机房的数量
{11}Hi：第i个机房的建设成本
{12}Ji：第i个机房最大允许的容量（因为网络扩容或新建→进入机房的纤芯数增加→设备增加→机房空间占用增加且耗电增加，所以可以用纤芯数增加等价于机房空间占用增加及耗电增加）
{13}R：每个管道最大允许装载的光缆数量
B：变量（优化算法会计算出来其值）
xi：0/1变量，该候选机房是否被选中
yni：0/1变量，第n个已有机房是否归属第i个候选机房
ze：整数变量，第e条边新增管道数量
C：优化目标（最小化总成本）
min Cost=■xi+■■nyni*Fn*dni+■Ze*Ce
其中，第1项是机房建设成本
第2项是光纤成本（光纤数量*距离）
第3项是挖沟成本
D：约束
①∑iyni=1 ?坌n∈N
每个汇聚机房必须归属到1个候选机房。
②∑ixi?燮k
最大建设机房数量不能超过指定的数量。
③∑nyni*Fn?燮Ji ?坌i∈I
机房i内归属的汇聚机房的容量和不能超过新建机房的容量。
④∑i∑nyni*Fn?燮（Me+Ze）*R ?坌e∈E且允许挖沟
对允许挖沟的e，经过该e的光缆总和不能超过已有和新增的管道容量。（注：是否经过e可以通过Pni来确定）
⑤∑i∑nyni*Fn?燮（Me*Re） ?坌e∈E且不允许挖沟
对不允许挖沟的e，经过该e的光缆总和不能超过已有管道的容量。
若需要对每个区域限制新建机房的数量，则
新增输入：
S：区域的集合
TS：每个区域的机房数量
新增约束：∑i∈S xi?燮TS ?坌s∈S
所有属于S的新建机房数量不能超过指定的TS。如果是必需选TS个，那么“?燮”改为“=”。
算法的求解过程使用的是通用方法，在此不再赘述。特别要指出的是本算法使用了大量整数线性规划的方法，而整数线性规划是应用非常广泛的运筹学的一个重要分支。通过建立成本模型和约束模型，准确刻画实际问题的目标和约束，通过数学优化求解出最优解。该方法的优化目标和约束模型可扩展性好，是解决最优化的一个重要手段。但是现有的整数线性算法缺点是对大量约束和变量情况下求解复杂。我们通过拉格朗日松弛变量和分支定界等多种方法，解决了大规模网络规划领域整数线性规划最优的问题。
4 TAC层组网布局优化步骤
根据上述TAC层规划算法思路，总结出组网布局优化方法7个步骤，结合各自城市特点，便可以较好的解决现网机房汇聚能力不足，管道管控占用率高的问题，提升汇聚TAC层的汇聚收敛能力和业务疏导能力，使组网布局面向Novonet网络架构演进。①基础调研：调研收集DC机房、核心机房、骨干汇聚机房、汇聚机房分布情况，包括地理位置、经纬度、空间及电源配套。光缆分布情况重点是光缆集中经过的局点；管孔占用率大于80%的管道，以及由于交通、山脉、河流、桥梁等瓶颈点，作为后续数据分析的依据。②地图模拟：利用GIS技术在地图上进行布点，按行政区域分割为多个子图。在子图内寻找孤岛，输出骨干汇聚节点布点，综合考虑输出普通汇聚机房布点；子图之间寻找市县之间是否存在单路由或同路由，输出骨干路由的建设方案，并考虑造价。③方案寻优：用雷达图评估布局的合理性（投资、实施难度、组网安全、3-5年的稳定性、成效等），几种方案对比，评估出优选方案。④拟合试验：根据方案输出，将现网情况与建设优化方案通过地图进行叠加，拟合目标组网情况，评估各资源状态与效果。⑤方案输出：针对拟合实验形成的组网进行微调和局部优化，形成最终的方案及清单、涵盖机房、管道、光缆等内容。⑥具体实施：根据最终输出方案进行实施，形成网络组网的初步布局，目标在3-5年内的稳定性，资源合理分布，有效利用。⑦后评估：评估实施后的网络组网情况与方案组网的一致性，评估实施后的成效，对以上方法进行优化。
参考文献：
[1]于祖国.数学规划在测绘工作中的应用[J].价值工程，2014，33（14）：297-299.
[2]蔡力群.基于ONOS统一控制器应用传送网以太业务专线发放的研究[J].价值工程，2017，36（30）：102-103.
[3]李炳林，刘世栋，黄莉，姚继明.电力分组传送网QoS保障技术[J].价值工程，2013，32（16）：210-213. |
