2020 年第 7 期
（总第 211 期）
信息通信
INFORMATION & COMMUNICATIONS
2020
（Sum. No 211）
光传送网建模与价值评估
张继涛 1，2，
赵丽民 1，2，巩笑源 1，2
（1.精功（绍兴）复合材料有限公司，2. 精 s 功（绍兴）技术研发有限公司，浙江 绍兴：
312000）
摘要：文章针对光传送网的规划与建设中，对光纤通信网络工作原理以及价值评估体系进行分析和建模，从底层物
理出发，建立三种调制格式的仿真模型和光传送链路仿真模型，求解不同调制格式的信噪比及误码率容限点的跨段
数，并从仿真实验角度验证了理论推导合理性, 基于光纤的信息容量和传输距离, 建立多目标优化模型，求解得最优
网络规划方案，为我国城市群制定光传送网规划，采用约束法，以光纤总距离最短为约束目标，求解其余目标最优的
网络规划的非劣解，最后综合考虑了传输距离，传输容量、网络拓扑等各种因素，寻找到最大化网络的价值的光传送网
链路设计。
关键词：光传送链路；遗传算法；城市网络规划；
多目标最优化
中图分类号：TN929.11
文献标识码：A
文章编号：1673-1131（2019）07-0020-05
Optical transport network modeling and evaluation
Zhang Jitao 1,2,Zhao Limin1,2,Gong Xiaoyuan1,2
(1.Jinggong (Shaoxing) Composite Materials Co, Ltd,2.Jinggong (Shaoxing) Technology R & D Co, Ltd. shaoxing 312000, China)
Abstract: The article aims at the problem of how to maximize the value of the network under the condition of limited resources
in the planning and construction of the optical transmission network. Pick from the underlying physical, set three modulation
format of the simulation model up and light transmission link simulation model, to solve the different modulation format of signal-to-noise ratio and the cross section at the tolerance point of bit error rate, multi-objective optimization model is set up, in order to plan our country urban agglomeration optical transmission network, make use of the constraint method, based on optical
fiber shortest total distance constraint, solving the rest of the target, the optimal network planning of pareto solutions, Finally,
considering various factors such as transmission distance, transmission capacity, and network topology, the optical transmission
network link design that maximizes the value of the network is found.
Key words: optical transmission link;Genetic algorithm;Urban network planning;Multiobjective optimization
0 引言
光纤通信技术（optical fiber communications）是现代
通信的关键技术，在现代通信网络中发挥着极其重要的作
用。光纤通信是一种新兴的技术，也是世界上新技术创新
的标志和未来信息社会中的交流手段，其发展迅速、应用广
泛 [1] 。
光纤通信正是整个通信领域急速发展的前提。从诞生以
来的 50 多年里，基于数字光纤通信技术的光传送网已经构筑
了全球通信的骨架，在距离上从城市内的传输到跨越大洋的
传输，在性能上具备了容量大、可靠性高一级能耗成本低的光
传送网络，为了满足人类对通信容量的高要求，光传送网络正
精益求精地研发。在不断扩大和日益复杂的组网模式下，光
传送网需要有效提升网络传输能力和减少网络建设和运维成
本，这就意味着光传送网的规划和优化非常重要，
这也是近年
来电信运营商的关注点。开发光传送网规划系统软件是运行
商也一直研究，旨在为规划人员提供高效且准确的仿真软件，
可以高效快速完成光传动网络的建模，但是规划软件存在网
络生存方面的故障，如何有效模拟光传送网络规划中的传输
故障和优化网络建设，
网络规划模拟一旦出错和失效，
将会给
社会造成极大的损失，
因此在设计光传送网络方面，确保网络
的生存性成为关键点。本文从底层物理出发，建立三种调制
格式的仿真模型和光传送链路仿真模型，求解不同调制格式
的信噪比及误码率容限点的跨段数，并从仿真实验角度验证
收稿日期：2020-05-25
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了理论推导合理性,为进一步准确建立光传送网络规划提供理
论基础。
光传送网的规划与建设是运营商、设备商以及政府必须
考虑的课题，光传送网随着电信通信网的日益成熟、互联网的
迅速发展以及物联网技术的兴起，通信运营商需要综合考量
各种影响因素，升级网络规划和提高用户服务质量，同时节约
成本，这样来网络规划者需要在有限资源的条件下，综合考虑
传输距离，传输容量、网络拓扑等各种因素，以最大化网络的
价值。本文在综合考虑传输距离、传输容量、
网络拓扑等各种
因素的情况下，
对光传送链路进行建模，
制定光传送网的规划，
并探讨其网络价值，应用实例制定不同情况下的网络规划方
案，为我国城市群制定光传送网规划。
1 光传送链路模型
1.1 模型的建立
在光纤通信中，光纤就是信道，光纤传输的光波就是信息
的载体，光传输链路由多个相同跨段的级联而成。如图下图 1
所示：
图 1 基本的光传输链路模型
信息通信
张继涛等：
光传送网建模与价值评估
由图 1 可知，
在光纤通信中，
信息通过发射机出，
通过光纤
信道以光波的形式经过放大器，最后到达信息接受目的地，其
中光纤和放大器组成一个跨段，而放大器的目的在于对衰减
的光功率进行补偿放大。
确定系统能够达到的最大传输距离，是系统设计的关键。
尤其对长距离系统，
合理设计中继距离，对系统性能及经济效
益都是非常重要的。当系统的工作频带远小于光纤宽带，并
在码速较低（B<100Mb/s）时，其光纤色散对灵敏度的影响较
小，这时系统的传输距离主要受损耗的限制，即决定于下列因
素： 发送端耦合入光纤的平均功率； 光接受机的接受灵敏
度； 光纤线路的总损耗。
1.2 模型的求解
正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）
信号用正交相干解调方法进行解调，
通过解调器将 QAM 信号
进行正交相干解调后，用低通滤波器 LPF（Low-past Filter）滤
图 4 三种调制格式下 BER 与 SNR 的关系曲线
当 BER=0.02 时，
由上图及数据可得三种调制格式下 SNR
容限点如下表 1 所示：
表 1 BER=0.02 时三种调制格式下 SNR 容限点
除乘法器产生的高频分量，输出抽样判决后可恢复出的两路
独立电平信号，最后将多电平码元与二进制码元间的关系进
行 m/2 转换，
将电平信号转换为二进制信号，
经并/串变换后恢
复出原二进制基带信号[2]，
见图 2。
利用信噪比定义公式求解 BER=0.02 的 SNR 容限点值，
其对应的噪声功率门限，然后输出三种不同调制格式的对应
噪声功率。
跨段数量与纠前误码率的关系曲线如下图 5、6 所示：
图 2 8QAM 信号产生原理图
在简单分析 QAM 原理的基础上，以 16QAM 为例，我们
提出了基于 Matlab 的 16QAM 编解码系统仿真方案，对光纤
通信网络进行分析和建模，输入二进制信号，通过串并联变换
为 m 电平的多进制信号，通过正交调制，
进行相应的处理输出
多进制 QAM 信号。调制格式为 16QAM 时，误码率（Bit Error
Ratio，BER）与信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）的关系曲线
见图 3。
图 5 单跨传输距离为 80km时跨段数量与纠前误码率的关系曲线
图 3 16QAM 调制格式 BER 与 SNR 的关系曲线
在 8QAM，16QAM，
正交相移键控（Quadrature Phase Shift
Keying，QPSK）三种调制格式下，BER 与 SNR 的关系曲线对
图 6 单跨传输距离为 100km时跨段数量与纠前误码率的关系曲线
当以纠前误码率 BER=0.02 为门限时，由上图及数据计算
比见图 4。
可得三种传输格式下的跨段数量，并经圆整后与单跨距离传
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信息通信
张继涛等：光传送网建模与价值评估
输距离相乘可得最远传输距离如下表 2 和表 3 所示：
表 2 单跨传输距离为 80km 时三种传输格式下的最远传输距离
式中：
NVij 为网络的价值；为连接的权重；RLij 为单波传输
容量；
RL(l)为 l 条连接路径的传输容量；
N 为最优化的路径条数。
2.1 不考虑中间节点的求解
根据题意，
我们计算了 12 个城市之间的单个连接的价值，
总共 132 条链路价值，因为题目要求连接数为 16 条，根据网
络价值的定义为所有连接价值的加权和，假设每条链路的权
表 3 单跨传输距离为 100km 时三种传输格式下的最远传输距离
重为 1，
然后利用 Matlab 软件的 sort 命令排序，选择单个价值
最大的 16 条连接，
进而再由人口算出网络价值[4-5]。
可得连接数为 16 条的网络规划如下图 7 所示：
2 应用案例
光传送网规划组合很多，但每一条线路的传输容量，距离
及相关城市和省（区）人口数量是不一样的。另外，由于资源
限制和其他因素，网络经常不允许每对节点直接连接，需要
通过添加中间节点进行传输，从而导致成本和损耗的差异性。
通常情况下，无法达到传输总容量，光纤总距离，网络总价值
同时最优。例如从运营商的角度，连接经济发达的地区会带
来更多的收入，此时会追求传输总容量最大；从政府的角度，
保障发展相对滞后地区的通信是均衡发展的要求，此时会追
求网络总价值最大；从设备商的角度，此时会追求光纤总距
离最优。因此，考虑求出一系列的非劣解方案以供选择。
表 4 不同传输格式的传输距离
图 7 连接数为 16 时的网络规划
根据上文的定义，我们计算了 12 个城市之间的单个连接
的价值，总共 132 条链路价值，因为题目要求连接数由 16 条
增加到为 33 条，首先在第一问仅有 16 条链路的基础上得出
一个最优配置，随后在此网络规划的基础上，再增加 17 条新
的链路，并且保持原来的 16 条链路保持不变，可得连接数为
33 条，并且考虑价值与需求的网络规划如下图 8 所示：
因此我们先要考虑怎么去选择合适的光传输设备以及对
应的参数，根据表格参数，首先需要知道城市与城市之间的距
离，然后去选择对应的容量参数，最后计算相应的每个连接的
价值。假设两个城市之间的链路为 1 个连接，那么下面我们
通过平面坐标计算原理去计算两个城市之间的距离。
我们利用上面所述的平面距离计算原理，计算 12 个城市
之间的相互距离，然后根据不同传输格式对应的最大传输容
量，选择适合的传输方式。两个城市之间连接的网络价值是
传输容量和对应连接的人口数的乘积，我们取两个城市人口
的几何平均值作为连接区域的人口数，整个光传送链路网络
的价值则是所有连接价值的加权和。
采用约束优化模型，
以网络价值最大为目标函数，
光传输总
容量为约束条件，假定每条链路的权重为 1，求解 16 条网络价
值最大的光传输网络规划，
在此基础上，
增加 17 条达到 33 条[3]。
图 8 连接数为 33 时的网络规划
网络价值的计算结果如下表 5 所示：
表 5 连接数为 16 和 33 时城市网络规划的网络价值
（1）
2.2 考虑中间节点的求解
考虑允许中间节点的存在，但是有些城市由于资源等因
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张继涛等：
光传送网建模与价值评估
素，网络不能让每个节点无法直连，只能通过中间节点。由于
三种典型光传输的设备最大传输距离收到限制，我们考虑其
中网络规划距离超过 3000km 的城市之间的连接，
对此采用中
间节点连接。最后选择网络价值最大的网络规划，得到连接
数为 16 条时的网络规划如下图 9 所示：
图 10 连接数为 33 时的网络规划（存在中间节点）
网络价值的计算结果如下表 6 所示：
表 6 连接数为 16 和 33 时城市网络规划的网络价值
（存在中间节点）
图 9 连接数为 16 时的网络规划（存在中间节点）
当连接数由 16 条增加到为 33 条，首先在仅有 16 条链路
的基础上得出一个最优配置，随后在此网络规划的基础上，
再
增加 17 条新的链路，并且保持原来的 16 条链路保持不变，
最
后选择网络价值最大的网络规划，得到连接数为 33 条时的网
考虑中间节点的城市路径传输容量分配如下表 7 所示：
表 7 考虑中间节点的城市路径传输容量的分配
络规划如下图 10 所示：
图 11 遗传算法流程图
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张继涛等：光传送网建模与价值评估
13 所示：
2.3 优化求解
目前，光传送网络的合理性和经济性需要从多个角度的
量化，例如从运营商方面，要求带来价值更高的经济效益；从
政府方面，
促进各个地区信息发达和经济发展是基本要求；从
设备商的角度，
要求连接数要多，
光纤距离更长来获得更大的
利润。运营商、政府和设备商考虑的侧重点不一样，所以需要
区别考虑。
考虑到问题的三个目标（光纤总距离，网络总价值，传输
总容量）对线路的影响，利用多目标规划进行线路的选择，又
因为目标之间存在矛盾性，多目标规划最优解的求解是很困
难的。故采用约束法，
求出在光纤总距离最优的约束下，其余
目标最优的所有线路的非劣解。
目标函数：
第一目标：从设备商角度考虑；第二目标：从政
府角度考虑；第三目标：从运营商角度考虑。那么针对问题的
三个目标，利用多目标规划来寻求最优的解决方案。设光纤
总距离、网络总价值、传输总容量这三个目标的目标函数分别
为 D(l)、NV(l)、
RL(l)。
于是可以建立问题的多目标规划模型为：
（2）
（3）
式中：L 为可行线路的集合。
根据网络优化中的遗传算法，用 Matlab 编程计算出任意
两个节点之间的距离，
记相应的最短路矩阵为 A（i，
j=1，2，
…，
ij
n），进而求出最短距离。
利用遗传算法计算城市和省（区）网络规划的最优距离光
传送网规划，流程图见图 11。
得到距离最优的网络规划如下图 12、
13 所示[6-7]：
图 13 优化的城市光传送网络规划
3 结语
本文建立三种调制格式的仿真模型和光传送链路仿真
模型，求解出了不同调制格式的信噪比及误码率容限点的跨
段数。然后以网络价值最大为目标，首先对链路进行局部寻
优再采用算法对节点寻优，实现链路的全局搜索，方便快速
确定网络连接，在每个城市都至少有一个连接的情况下，连
接数从 16 增加到 33 条，求解出了相应的最大网络价值。接
着采用约束法，为我国城市群设计合理的光传送网规划，以
光纤总距离最短为约束目标，求解其余目标最优的网络规划
的非劣解。最后建立多目标优化模型，综合考虑了传输距
离，传输容量以及网络拓扑等各种因素，以此来实现网络价
值的最大化。为提高模型求解的准确性，采用遗传算法进行
求解，加快了运算速度，体现了智能算法的理论价值和现实
意义。
在求解网络价值中，假定了每条链路的权重为 1，然而实
际情况可能是，
经济发达地区的链路权重会大些，在后续改进
中，可用主成分分析法确定元素权重，
然后采用合理模型进行
综合分析建模，进而改变链路权重求解最大网络价值。
参考文献：
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
图 12 距离最优化的城市网络规划
从图 12 分析可知，城市之间的最优距离为 12636.98 千
米。
此时对应的城市光传输网规划的网络价值为 2623.77 mTb/s。
下面将结合两者的优势，
优化数据结构，同时考虑距离最
优和网络价值最大，
在距离最优的基础上考虑网络价值最大，
随后在此网络规划的基础上，再增加 4 条新的链路，并且保
持原来的 12 条链路保持不变，最后选择网络价值最大的网
络规划，得到连接数为 16 的城市光传送网络规划。如下图
24
[6]
[7]
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