电缆网络区域连通性规划方法和设备

技术领域

本发明大体上涉及电缆网络规划。更具体来说，本发明涉及电缆网络区域连通性规划。

背景技术

海底互联网光纤电缆在全球通信中发挥重要且关键的作用。海底电缆系统通常具有如图1所示的主干-分支树拓扑结构。在其优化设计中要考虑的是电缆铺设成本(包含地形坡度、材料、替代的保护水平、劳动力和电缆生存性)、海底电缆分支单元(BU)的安装成本和海底电缆登陆站(CLS)的位置选择。

海底光纤电缆系统通常划分成两部分：水下设备和陆上设备。水下设备包含海底光纤电缆、中继器和BU，而陆上设备包含CLS。海底BU用于将电缆分叉，使得流量能够路由到两个或更多不同位置(或从两个或更多不同位置合并)，由此实现电缆系统的连接多样性。

路径规划优化的一些早期工作集中于点到点连通性。例如，一种基于光栅的方法提出了使用Dijkstra算法进行路径规划以获得具有最小成本的电缆路径。近年来，基于快速行进法(FMM)的方法被应用于电缆路径规划，用于以最小成本设计从起始节点到可包含一组节点的现有电缆网络的电缆路径。例如，提出了一些基于FMM的方法，实现用于连接多个登陆站的海底电缆系统的主干-分支树网络拓扑结构。然而，这些方法没有考虑到BU的安装成本和每个区域中CLS的位置选择。

发明内容

本发明的一个目标是提供用于规划在界限封闭区域中地表上的电缆网络的区域连通性的方法，所述方法将BU的安装成本和CLS的位置选择考虑在内。

根据本发明的一个方面，所提供的电缆网络规划方法包括：将界限封闭区域中的地表建模为在三维欧几里得空间中包括多个网格节点的不规则二维流形；预先指定电缆网络的拓扑结构；将预先指定的拓扑结构建模为斯坦纳(Steiner)树，所述斯坦纳树包含：多个终端节点，其表示会被分别安装在通过电缆网络连接的多个目标区域中的多个电缆登陆站(CLS)；多个斯坦纳节点，其表示会被安装在电缆网络中的多个分支单元(BU)；及多个边，每个边连接其中一个所述终端节点和其中一个所述斯坦纳节点或连接其中两个所述斯坦纳节点；通过应用DAG最小成本系统算法查找斯坦纳树中具有最小成本的斯坦纳最小树(SMT)；将SMT的斯坦纳节点、终端节点的坐标传回为BU和CLS的位置；及查找对应于SMT的边的测地线作为BU和CLS之间的电缆路径。

DAG最小成本系统算法通过考虑阶次超过三的斯坦纳节点，能够包含斯坦纳节点的权重(成本)。另外，DAG最小成本系统算法不仅可用于优化点之间的连接，而且还可用于优化区域之间的连接。

与现有方法相比，所提供的电缆网络规划方法可以提供计算上有效的方法，所述方法可以在考虑更灵活的BU分支结构和CLS位置替代方案的情况下，将整个电缆系统的建构和安装成本降至最低。

附图说明

下文中参看图式更详细描述本发明的实施例，在图式中：

图1描绘根据本发明的优选实施例的规划电缆网络的区域连通性的优化问题的概观；

图2示出表示图1的电缆网络的斯坦纳拓扑结构(树)；

图3示出如何通过组合两个具有更低阶次的斯坦纳节点来形成新斯坦纳节点；

图4示出如何通过组合三个具有更低阶次的斯坦纳节点来形成新斯坦纳节点；

图5示出如何在图2的斯坦纳树中定义骨架树；

图6示出图5的骨架树如何成为有向根树；

图7示出多个有向无环图如何基于图6的有向根树建构；

图8描绘根据本发明的优选实施例的用于规划在界限封闭区域中地表上的电缆网络的区域连通性的方法的流程图；

图9示出DAG最小成本系统算法的示例性实施方案；以及

图10示出在本发明的各种实施例中用于执行或实施用于规划电缆网络的区域连通性的方法的示例性设备。

具体实施方式

在以下描述中，用于规划电缆网络的区域连通性的方法和设备及类似物阐述为优选实例。可以省略具体细节以免使本发明模糊不清；然而，编写本公开是为了使所属领域的技术人员能够在不进行不当实验的情况下实践本文中的教示。

图1描绘根据本发明的优选实施例的规划电缆网络的区域连通性的优化问题的概观。参看图1，电缆网络可连接界限封闭区域D中地表上的多个目标区域。目标区域被表示为经由主干和分支拓扑结构连接的

电缆网络可包含：一个或多个分支单元(BU)，表示为BU

在不同的海床条件下，BU的类型和成本可能不同。BU的成本主要取决于电缆中光纤对的数目和复杂度。BU位置(甚至是存在情况)的选择不仅需要考虑到总电缆长度，而且还需要考虑到总体网络成本、水压和深度、地形等。

在每个目标区域R

1)海洋分区和与不同开发和规划活动的兼容性；

2)海底电缆安装船是否易于进入登陆点进行安装和维护；

3)登陆点电缆的地形风险，例如，避免陡峭的岩石海岸和沉降区以及陡峭的砂质或粉质海底；

4)电缆的环境风险，例如风暴潮和其它海洋灾害；

5)避免电缆可能被腐蚀(化学污染)的区域；

6)避免锚和拖网有可能造成电缆损坏的区域。

因此，不同位置可能具有不同的CLS建构成本，并且可能使网络中的电缆长度不同。

界限封闭区域D可建模为2维流形，其中此区域中的任一对网格节点可通过2维流形上的路径连接。可用三角剖分的分段线性2维流形M对区域D建模。“平滑”连续的区域D可呈现为三角剖分流形M，流形M上的每个网格节点X表示为坐标(x；y；z)；其中z＝ξ(x；y)为(x；y)的海拔高度。

对于连接流形M中的两个网格节点的表示为李普希兹(Lipschitz)连续曲线γ的电缆，电缆γ的总建构成本(基于长度)可由H(γ)表示，如等式(1)中所示出，其中f(x)是通过电缆上点x的电缆的每单元长度的铺设(建构)成本。

f(x)的值可在附加假设下获得，即电缆铺设成本考虑到了若干因素，包含土壤类型、高程、劳动力、许可证、保护水平和路径方向。

电缆网络T的拓扑结构可建模为斯坦纳拓扑结构(树)V，其中斯坦纳节点s

图2示出表示图1的电缆网络的斯坦纳拓扑结构(树)，其中相应地，斯坦纳节点s

当新的斯坦纳节点具有与目标区域之一相同的位置时，可忽略斯坦纳节点的成本，即，忽略BU的安装成本。

尽管在大多数情况下，BU为连接三个终端节点的Y形电缆连接器，但本发明允许电缆网络拥有分支数目大于3的BU的最佳拓扑结构。

单个BU可由数个具有相同位置的3分支BU的组合表示。换句话说，在表示电缆网络的斯坦纳树中，K阶次斯坦纳节点可以拆分成(K-2)个连接的3阶次斯坦纳节点，它们之间的连接边成本为零(并且因此，长度为零)。反向变换同样适用。也就是说，(K-2)个连接的3阶次斯坦纳节点可以组合形成K阶次斯坦纳节点。例如，两个3阶次斯坦纳节点的组合将产生一个4阶次斯坦纳节点，三个连接的3阶次斯坦纳节点将产生一个5阶次斯坦纳节点，依此类推。

图3示出新斯坦纳节点S

通过施加所有终端节点和所有斯坦纳节点为流形M上的网格节点X的约束条件，流形M中每一终端节点和斯坦纳节点之间的最短路径可通过使用等式(1)应用快速行进法(FMM)来获得。

尤其是，对于连接两个网格节点Xi、Xj的对应于每一终端节点和斯坦纳节点之间的电缆路径的电缆γ

应注意，不要求电缆跨越流形M的三角形的边，并且假定电缆可以通过流形M的三角形的内部，且FMM相应地优化路径。

由Ψ(T)表示的物理电缆网络T的总成本可通过对斯坦纳树问题求解来降至最低：

其中

通过对等式(3)的斯坦纳树问题求解，可找到斯坦纳最小树(SMT)，SMT的斯坦纳节点的坐标可传回为BU的位置，且SMT的终端节点的坐标可传回为CLS的位置，且对应于SMT的边的测地线可被找到并传回为BU和CLS之间的电缆路径。

为了对等式(3)的斯坦纳树问题求解，将骨架树T

其中

其中C(M)为节点M的子集。

对于骨架树的任何叶i，

假设

因而，等式(3)中示出的问题变换为利用贝尔曼(Bellman)等式的动态编程问题：

为了对此动态编程问题求解，基于骨架树，建构多个如图7所示的有向无环图(DAG)，表示为G＝(V′,E′)。每一斯坦纳节点i∈T

对于s

对于将斯坦纳节点(即，电缆系统中的BU)的成本考虑在内的斯坦纳树总成本优化的问题，等式(7)中所示的贝尔曼等式可扩展为新贝尔曼等式：

图8描绘根据本发明的优选实施例的用于规划在界限封闭区域中地表上的电缆网络的区域连通性的方法800的流程图。参看图8。方法800可包括：步骤802：将界限封闭区域中的地表建模为在三维欧几里得空间中包括多个网格节点的不规则二维流形；步骤804：预先指定电缆网络的拓扑结构；步骤806：将预先指定的拓扑结构建模为斯坦纳树，所述斯坦纳树包含：多个终端节点，其表示会被分别安装在通过电缆网络连接的多个目标区域中的多个CLS；多个斯坦纳节点，其表示会被安装在电缆网络中的多个BU；及多个边，每个边连接其中一个所述终端节点和其中一个所述斯坦纳节点或连接其中两个所述斯坦纳节点；步骤808：查找斯坦纳树中具有最小成本的斯坦纳最小树(SMT)；步骤810：将SMT的斯坦纳节点的坐标传回为BU的位置；步骤812：将SMT的终端节点的坐标传回为CLS的位置；和步骤814：查找对应于SMT的边的测地线作为BU和CLS之间的电缆路径。

SMT可通过以下操作来查找：将斯坦纳树中仅由斯坦纳节点和将斯坦纳节点彼此连接的边组成的子树定义为骨架树；选择骨架树中的任意斯坦纳节点作为骨架树的根节点；将朝向根节点的定向指派到每个边；对斯坦纳节点进行拓扑排序以获得斯坦纳节点的序列，使得给定斯坦纳节点的子斯坦纳节点在序列中早于给定斯坦纳节点出现；将每个斯坦纳节点与网格节点的子集相关联；建构含有多个有向路径的有向无环图(DAG)，每一有向路径由与不同斯坦纳节点相关联的网格节点组成且结束于与根节点相关联的网格节点；查找具有最小成本的最佳DAG；并且将最佳DAG传回为SMT。

通过应用图9所示的DAG最小成本系统算法来获得最佳DAG。DAG最小成本系统算法可包含：初始化分别对应于与斯坦纳节点相关联的网格节点的多个最小累积成本(MCC)；更新与根节点相关联的网格节点的多个初始化MCC；查找与根节点相关联的网格节点中具有最小MCC的网格节点作为最佳根节点；传回含有最佳根节点的DAG作为最佳DAG。

优选地，对应于与斯坦纳节点相关联的网格节点的多个MCC中的每一个通过以下操作来初始化：确定斯坦纳节点是否为骨架树的叶节点；如果斯坦纳节点为骨架树的叶节点，则将网格节点的MCC初始化为与网格节点相邻的终端节点的一个或多个最小成本的总和；并且如果斯坦纳节点不是骨架树的叶节点，则将网格节点的MCC初始化为零。

优选地，与网格节点相邻的终端节点的最小成本中的每一个通过应用快速行进法获得。快速行进法可包括：产生从与网格节点相邻的终端出发的一个或多个潜在路径；基于成本模型计算一个或多个潜在路径的一个或多个成本；并且将最小成本传回为与网格节点相邻的终端的最小成本。成本模型可以用一组成本因素建模，所述成本因素包含电缆铺设成本、BU建构成本和CLS建构成本。

优选地，与根节点相关联的网格节点的多个初始化MCC可通过按照与骨架树中的每个斯坦纳节点相关联的每个网格节点的拓扑次序执行多个迭代来更新。

优选地，每个迭代可包括：确定斯坦纳节点是否为骨架树的叶节点；如果斯坦纳节点不是骨架树的叶节点，则通过添加一个或多个MCC增量来更新与斯坦纳节点相关联的网格节点的初始化MCC，所述MCC增量的每一个从与斯坦纳节点的子节点相关联的网格节点导出。

优选地，一个或多个MCC增量中的每一个可通过以下操作来导出：确定子节点是否具有与斯坦纳节点相同的位置；如果子节点具有与斯坦纳节点相同的位置，则确定MCC增量等于与子节点相关联的网格节点的MCC；并且如果子节点具有与斯坦纳节点不同的位置，则确定MCC增量等于与子节点相关联的网格节点的MCC和与斯坦纳节点相关联的网格节点处的BU建构成本的总和。

图10示出在本发明的各种实施例中用于执行或实施用于规划电缆网络的区域连通性的方法的示例性设备1000。例如，设备1000可为计算装置，包含：服务器计算机、个人计算机、笔记本计算机、例如智能手机和平板计算机的移动计算装置。优选地，设备1000可具有不同配置，并且通常包括接收、存储和执行适当计算机指令或代码所必需的合适的组件。设备1000的主要组件为处理单元1002和存储器单元1004。

处理单元1002为处理器，例如CPU、MCU或电子电路系统，包含但不限于专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)，和根据本公开的教示配置或编程的其它可编程逻辑装置。

存储器单元1004可包含易失性存储器单元(例如RAM)、非易失性单元(例如ROM、EPROM、EEPROM和快闪存储器)或这两者，或适合于存储指令、代码和/或数据的任何类型的媒体或装置。

优选地，设备1000进一步包含一个或多个输入装置1006，例如键盘、鼠标、触笔、麦克风、触觉输入装置(例如触敏屏幕)和视频输入装置(例如相机)。设备1000还可包含一个或多个输出装置1008，例如一个或多个显示器、扬声器、磁盘驱动器和打印机。显示器可为液晶显示器、发光显示器或任何其它合适的可为或可不为触敏式的显示器。设备1000还可包含一个或多个磁盘驱动器1012，所述磁盘驱动器1012可涵盖固态驱动器、硬盘驱动器、光驱和/或磁带驱动器。合适的操作系统可安装于设备1000中，例如安装于磁盘驱动器1012上或设备1000的存储器单元1004中。存储器单元1004和磁盘驱动器1012可通过处理单元1002操作。

设备1000也优选地包含用于与一个或多个其它计算装置建立一个或多个通信链路(未示出)的通信模块1010，所述计算装置例如服务器、个人计算机、终端节点、无线或手持型计算装置。通信模块1010可为调制解调器、网络接口卡(NIC)、集成网络接口、射频收发器、光端口、红外端口、USB连接或其它接口。通信链路可为有线或无线的，用于传送命令、指令、信息和/或数据。

优选地，处理单元1002、存储器单元1004及任选的输入装置1006、输出装置1008、通信模块1010和磁盘驱动器1012通过总线、例如外围组件互连(PCI)高速的PCI、通用串行总线(USB)和/或光学总线结构彼此连接。在一个实施例中，这些组件中的一些可通过例如互联网或云计算网络的网络连接。本领域的普通技术人员将理解，图10中示出的设备1000仅为示例性的，且不同设备1000可具有不同配置且在本发明中仍然适用。

在一些实施例中，本发明的方法还可实施于分布式计算环境和/或云计算环境中，其中机器指令的全部或部分由通过通信网络互连的一个或多个处理装置以分布方式执行，所述通信网络例如内联网、广域网(WAN)、局域网(LAN)、互联网和其它形式的数据传输介质。

已出于说明和描述的目的提供了对本发明的前文描述。本发明并不预期为穷尽性的或将本发明限制于所公开的精确形式。许多修改以及变化对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。

选择和描述实施例是为了最佳地阐释本发明的原理和其实际应用，借此使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于所预期的特定用途的各种修改。