Kép: Sumitomo Electric Lightwave
Újgenerációs optikai hozzáférési hálózatok automatizált tervezése és műszaki - gazdasági elemzése Komplex hálózattervezési módszertan és keretrendszer bemutatása Mitcsenkov Attila (BME TMIT, High Speed Networks Laboratory) 2014. október 20.
Újgenerációs hozzáférési hálózatok Next Generation Access (NGA) • Az optikai „közelebb kúszik” a végpontokhoz: - FTTC FTTB FTTH
• A.) Pont-pont Dedikált optikai szál minden végponthoz
• B.) Pont-multipont rendszerek Osztott optikai „törzshálózat”
- Aktív (pl. Active Ethernet) - Passzív (PON)
Passzív optikai hálózatok Passive Optical Networks (PON) • „Történelem”: ABON, BPON • Ma elterjedt:
- EPON (USA & Asia) / GPON (EU)
• Jelenlegi „upgrade”
- NGPON-1 10G EPON / 10G GPON
• Közeljövő:
- NGPON-2 TWDM PON, 40G
• Jövő:
- WDM PON („virtuális pont-pont”)
- Colorless vs. Tunable: még nem lefutott…
Hálózattervezés – A motiváció • Újgenerációs hozzáférési hálózatok - Rövid / középtávú igények: 100 Mb/s – 1 Gb/s - A „mantra”: optika kell!
• „FTTH boom”: - Global Industry Analysts Inc.: Világszerte 183.9 millió FTTH/B előfizetés 2015-ig - Deutche Telekom “will invest almost 30 billion euros over the next three years in order to ensure “the future of telecommunications.” (2012 – FTTC VDSL, Fiber & LTE) - …
• De mibe fog ez kerülni? • Ki fogja kifizetni? • Mi értelme?
A „kristálygömb”: Műszaki-gazdasági elemzés • Gazdasági szempontok: - Költségbecslés - Megtérülés, Cash Flow, … „Business Case” analízis - „Mit értenek a mérnökök az üzlethez…”
• Műszaki szempontok: - Minőségi paraméterek (sávszélesség, késleltetés, megbízhatóság, …) - Hálózattervezés támogatása: mit, hogyan és hova építsünk?
- „Nehogy már a marketingesek mondják meg…”
• Döntéstámogatás: - Alacsony költségű vs. Időtálló technológiák (pl. VDSL vs. WDM PON) - Szolgáltatási területhez legjobban illeszkedő megoldások keresése
Hogy kezdődött? Egyszer volt, hol nem volt… • Néhány alapvető kérdés: - Mennyibe kerülne egy GPON hálózat telepítése XY területen? - És ha nem GPON, hanem mondjuk Aktív Ethernet, VDSL vagy pont-pont optika? - Melyik a legjobb választás? - (mi az, hogy „legjobb”?)
? ?
?
„Gondol, gondol…” • Hogyan becsüljük meg a költséget? • Ki fogja ezt elhinni nekünk? • Miért pont annyi? • Tanulmányoztuk az irodalmat (ne találjuk fel újra a spanyolviaszt…) - Ökölszabályok: átlagos végpontonkénti költség (de nincsenek hazai adatok…)
- Geometriai modellek a fizikai infrastruktúra becslésére (de nem ilyen „szabályosak” a területeink…)
Geometriai modellek 1. Háromszög modell A FP1 FP2 végpont
α B
R
F
F
F
Kábel típus #1 Kábel típus #2 Kábel típus #3 Kábel típus #4 Kábel típus #5
F C
F
F F
F
D F
AB BC R / 3 cos( / 2)
E F
Analitikus számítások
F
CD CE R / 6 1 8 sin ( / 2) 2
DF R 0,132 0,336 n
Geometriai modellek 2. Egyszerűsített úthossz modell n houses in row Utcánként n aépület l = szomszédos distance Két épület between two houses között l távolság
The central office Központ (CO – Central Office) a at the center geometriai középpontban, n2 This serves n2 végpont kiszolgálására customers
Analitikus számítások I n (n 1) l (n 1) l (n 1) l 2
n 1
F 4 l min i,n i n i i 1
„Gondol, gondol…” • Hogyan becsüljük meg a költséget? • Ki fogja ezt elhinni nekünk? • Miért pont annyi? • Tanulmányoztuk az irodalmat (ne találjuk fel újra a spanyolviaszt…) • Tanulmányoztuk a térképet - „Mekkora” hálózat? - Milyen bonyolult „terep”? - Hogyan illeszthetnénk rá a geometriai modelleket? - Ha ismernénk a hálózatot, mindent tudnánk…
A megoldás: Stratégiai tervezés • Magas szintű hálózati terv - Összeköttetések, rendszerterv, hálózati eszközök helye,…
• Pontos és részletes adatok a szükséges fizikai infrastruktúráról - Hálózati eszközök és berendezések - Kábelhálózat telepítése - Optikai száligény
• Eszközigény („Bill of Material”) számítások támogatása • Műszaki-gazdasági elemzés: - Megbízható előzetes költségbecslés - Technológiák összehasonlítása
Hogyan állítsuk elő a „stratégiai tervet”? • Hálózattervezés mint „kézimunka”:
• Számítógéppel támogatott hálózattervezés:
- Emberi kreativitás
- Idő- és költségtakarékos
- Időrabló
- Ismételt számítások változó paraméterek mellett
- N-1 esetben felesleges!
- Bonyolult - Adathozzáférés - Számítási kapacitás
Lehetőségek: ami a számítógépet versenyképessé tette • Térinformatikai adatok és digitális térképek • Növekvő számítási kapacitás • Fejlett algoritmusok
Hozzáférési hálózatok térkép alapú, automatizált tervezése • Korábban a technikai feltételek hiányoztak (a geometriai modellek megjelenését is ez indokolta)
Mire használjuk a stratégiai tervet? A munkafolyamat Térkép
Adatbázis
Stratégiai terv
Térkép++
Adatbázis++
Automatikus folyamat Hálózattervezés: kiviteli terv
Elemzés, döntéstámogatás Megvalósíthatóság
Üzleti elemzés
Döntés
Műszakigazdasági összehasonlítás
Számítógéppel támogatott tervezés
Hálózattervezés, mint optimalizálási feladat Kihívások, modell, költségfüggvény, peremfeltételek
Mi a cél? Milyen egy megfelelő hálózati terv?
Mi a cél? Milyen egy megfelelő hálózati terv?
Melyiket érezzük „jobb” PON hálózatnak? Miért?
Kihívások • Hogyan fordítható le a feladat a matematika nyelvére? - Modellezés (pontos, technológia-független) - Költségfüggvény - Korlátok, peremfeltételek
• Milyen az optimális, vagy legalábbis jó topológia? - Gazdasági szempontok: milyen költségekkel számolhatunk?
• Bonyolultság - NP-nehéz (ld. utazó ügynök probléma) - Nagy méretű problémák (10.000+ csomópont)
Modellezés – magyarázzuk el a számítógépnek! Pont-multipont hálózatok
co
e2
co
Központ (Central Központ (Central Office, CO) Office, CO) Központ (Central Megengedett Végpont/ Office, CO) elosztópont hely előfizető Megengedett elosztóponti hely Elosztópont
Gráfpont Elosztópont co co
ee11
Végpont Végpont Gráfél
Törzshálózat Gráfpont Gráfpont
ee33
CO
eee444
Lehetséges Törzshálózati hálózati Elosztóhálózat összeköttetés összeköttetés Elosztóhálózati {i} összeköttetés
Előfizetői Nem használt hálózati szakasz csoport
Törzshálózat
Elosztóhálózat
Hálózati gráfmodell • Rugalmas, pontos, paraméterezhető • Minden szükséges adatot tartalmaz - Kiépíthető összeköttetések - Távolságok - Előfizetői adatok - Berendezések helye
Cél: költségek minimalizálása
Topológia-függő költségek (pl. kábelhálózat)
Topológia-független költségek (pl. előfizetői modemek)
CAPEX
OPEX
Kiépítés költsége
üzemeltetés, fenntartás
Költségfüggvény „All inclusive” Kábelhálózat - Kétszintű: építés + szálköltségek
Kábelhálózat költsége
- Lépcsős: diszkrét lépések - Meglévő infrastruktúra (!)
C0+n·Cv Szálköltség C0 Telepítési költésg
Hálózati eszközök - Központ - Elosztópontok
Építési költségek
- Végpontok
}
Kábelhálózat létrehozása
A kettő összefügg: - Több elosztópont kevesebb kábel - Két véglet: pont-pont hálózat (1 elosztópont / ∞ elosztópont)
#szálszám
Fizikai és technológiai korlátok • Feltételrendszer, amely megköti a tervező kezét: - Hosszkorlátok - Teljes hozzáférési hálózat kiterjedése - Törzshálózati szakasz maximális hossza - Optikai elosztóhálózat hatósugara - Differenciális távolság
Központ
- Elosztópontok kapacitása
Végpont Elosztópont (Pl.. ETH Switch) Törzshálózat
x t dis ma
L
{i}
Elosztóhálózat {i} Előfizetői csoport
d ax fee m
L
L feed ma x
Elosztóhálózat hatósugara Törzshálózat hatósugara
t ax dis m
L
Törzshálózat hatósugara
Elosztóhálózat hatósugara
A feladat adott… Mihez kezdtünk vele?
1. Részfeladatok és dekompozíció 2. Specializáció
• Optimalizálás alaptétele: „Nincs ingyen ebéd” („No Free Lunch”)
» Specialista algoritmusokra van szükség - Tervezői gondolkodás követése - Technológiák sajátosságainak felismerése (korlátok + költségek)
Passzív optikai hálózatok (GPON) • Költségek: - Kábelhálózat magas - Elosztópont alacsonyabb
• Korlátok: 20 km nem éles korlát • Fő cél: optimális csoportosítás
Központ
GPON 10GPON (WDM-PON)
Végpont {i} Splitter Törzshálózat
• Megoldás: - Megosztott kábelszakaszok maximalizálása - Feszítőfa alapú csoportképzés - Kész topológia: tipikusan fa…
Elosztóhálózat {i}
Előfizetői csoport
Lm
ax
Lm
ax
Hálózat hatósugara
Branch Contracting Algorithm
Aktív optikai hálózat (AETH) • Költségek:
- Elosztópont + működtetése drága - Kábelhálózat szintén…
• Korlátok: 20+3 km megengedő • Fő cél: - Minimális elosztópont
Központ
Active Ethernet
Végpont Elosztópont (Pl.. ETH Switch)
- Optimális csoportosítás
Törzshálózat
x t dis ma
L
{i}
Elosztóhálózat
- Átfedések nélkül
{i} Előfizetői csoport
- Közeli elosztó d ax fee m
L
L feed
• Megoldás:
- iteratív, „bottom-up” klaszterezési eljárás
- megfelelő csoportméret elérése - nem átfedő területek
ma x
Elosztóhálózat hatósugara Törzshálózat hatósugara
t ax dis m
L
Törzshálózat hatósugara
Elosztóhálózat hatósugara
Hibrid réz + optika (VDSL) • Költségek: - DSLAM + üzemeltetés: drága - Réz: szinte ingyen
• Korlátok: - 300/800 m „éles” rézhálózati korlát
Központ
DSL
Végpont Elosztópont (DSLAM)
• Cél:
Törzshálózat (optika)
{i}
- minél kevesebb DSLAM használata
{i}
- Mohó algoritmus - Kritikus végpontok prioritása
- „Top-down clustering”
m ax
Előfizetői csoport
L dist d ax fee m
L
• Megoldás:
Elosztóhálózat (réz)
Rézhálózat hatósugara
L feed ma x
t ax dis m
L
Optikai törzshálózat hatósugara
Törzshálózat hatósugara
Elosztóhálózat (réz) hatósugara
Pont-pont optikai hálózat (P2P) • Költségek: - Kábelhálózat drága - Különösen a „belépési költség”
• Cél:
Pont-pont optika
- Kábelezési munka minimalizálása
Központ
Végpont
• Megoldás: - Steiner-fa feladat - Distance Network Heuristic (DNH): - Gráf-transzformációk + minimális súlyú feszítőfa
Hozzűférési hálózat
Lm
ax
Lm
ax
Hálózat hatósugara
AccessPlan keretrendszer Optikai hozzáférési hálózatok automatizált tervezése a gyakorlatban
AccessPlan keretrendszer Moduláris felépítés • Gazdasági elemzés - Költségszámítások (CAPEX) - Business Case Analysis - Technológiák összehasonlítása, döntéstámogatás
• Topológia-optimalizálás - Csoportképzés - Elosztópontok elhelyezése - Összeköttetések kialakítása
• Hálózati modell felépítése - Gráf, élek és pontok - Költségadatok - Technológiai paraméterek
• Földrajzi + infrastruktúra adatok - Digitális térképek kezelése - Meglévő hálózati infrastruktúra hozzáadása
AccessPlan bemeneti adatok
AccessPlan eredmények • Részletes adatok a további elemzéshez, összehasonlításhoz • Műszaki: Rendszerterv
- Teljesítmény elemzés - Elérhető és garantálható szolgáltatási szint
Eszközigény (kábelhálózat és eszközök)
Hozzáférési hálózat stratégiai terve
- Megbízhatóság, kritikus pontok azonosítása (védelme)
• Gazdasági: - Költségbecslés Hálózati eszközök helye
- Üzleti elemzés (Business Case)
• Mindazt tudja, amit a geometriai modellek, de részletesebb, pontosabb, megbízhatóbb…
Esettanulmány Lássunk egy példát…
AccessPlan: terület választása
Mintapélda: Sashegy
Sashegy, Budapest XI/XII. kerület
Egy helyi központ területe 5 km2 / 4500 előfizető
Mintapélda paraméterei • Inhomogén terület - Családi, társas és bérházak vegyesen - Sas-hegyi természetvédelmi terület - Farkasréti temető
• Meglévő infrastruktúra - Részben meglévő alépítmények - Rézhálózat
• Különböző kábelezési technológiák - Oszlopsorok (léges hálózatrészek) - Meglévő alépítmények - Új földkábelek
1. fázis: Bemenet feldolgozása • Térkép, úthálózat és infrastruktúra • 82 km úthálózat - 60 km meglévő infrastruktúra - 2 km léghálózat - 20 km új földkábel építés
• Leíró gráf: - 8000 pont - 8500 él
1. fázis: Bemenet feldolgozása • Előfizetői adatbázis • Igénypontok: - 4239 háztartás - 1079 épület
• Leíró gráf: - 10 300 pont - 10 424 él
AccessPlan: tervezési szabályok és költségadatok
2. fázis: Topológia-tervezés • Technológiai, fizikai specifikációk (korlátok) • Költség adatok (célfüggvény) Pár perc számítási idő után… • Topológia • Rendszerterv • Elosztópontok helye
3. fázis: Transzformáció az eredeti térképre
4. fázis: Riportok és elemzések • Topológia-információk, hálózati jellemzők - Rendszerterv - Berendezések helye - Szál, kábel és berendezés igény
• Üzleti elemzés (Business Case) - CAPEX, OPEX, Cash Flow, Payback, stb.
• Műszaki-gazdasági elemzés, összehasonlítás - GPON, 10GPON, Active Ethernet, VDSL, Pont-pont optika, …
• Tetszőleges egyéni metrika alkalmazása - Széles körű topológia-adatokra támaszkodva - A hálózat üzemeltető igényei alapján
AccessPlan: tervek és eredmények
AccessPlan: elemzések
Műszaki-gazdasági elemzés Riportok: CAPEX becslés
1/4
CAPEX M EUR
3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 P2P
GPON
AETH
VDSL
Műszaki-gazdasági elemzés Riportok: Cash Flow
2/4
Akkumulált Cash Flow
Éves Cash Flow
Akkumulált Cash Flow
Pont-pont Ethernet
GPON
Éves Cash Flow
Műszaki-gazdasági elemzés Riportok: CAPEX vs. sávszélesség
GPON: 50 Mb/s vs. 100 Mb/s
800
1 000
700
900 800
600
EUR / háztartás
EUR / háztartás
VDSL: 25 Mb/s vs. 50 Mb/s
3/4
500 400 300 200
700 600 500 400 300 200
100
100
0
0 5 000
800 Háztartás / km2
VDSL25
VDSL50
300
5 000
800 300 Háztartás / km2
GPON50
GPON100
Műszaki-gazdasági elemzés 4/4 Riportok: Sávszélesség fajlagos költsége 1 Mb/s sávszélesség ára (Ft / Mb/s) 1 400 Ft 1 200 Ft 1 000 Ft 800 Ft 600 Ft 400 Ft 200 Ft 0 Ft
Agglomeráció Kertváros Belváros
P2P FTTH
1 021 Ft 925 Ft 1 039 Ft
P2P FTTB
1 035 Ft 1 088 Ft 1 260 Ft
10GPON FTTH
10GPON FTTB
Ft / bit/sec 587 Ft 548 Ft 644 Ft 617 Ft 788 Ft 717 Ft
WDMPON FTTH
WDMPON FTTB
243 Ft 236 Ft 270 Ft
244 Ft 295 Ft 347 Ft
AccessPlan Framework http://accessplan.tmit.bme.hu/
Attila Mitcsenkov
[email protected] Kapcsolat
