Optimalisatie van de klantinstallatie van telecomnetwerken en van het onderhoud in een synergetisch toegangsnetwerk

Optimalisatie van de klantinstallatie van telecomnetwerken en van het onderhoud in een synergetisch toegangsnetwerk Mathias Gheeraert

Promotoren: prof. dr. Mario Pickavet, ir. Sofie Verbrugge Begeleider: dr. ir. Koen Casier Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: bedrijfskundige systeemtechnieken en operationeel onderzoek

Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Daniël De Zutter Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2009-2010

Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: Prof. Dr. Ir. D. DE ZUTTER

Optimalisatie van de klantinstallatie van telecomnetwerken en van het onderhoud in een synergetisch toegangsnetwerk door Mathias GHEERAERT

Promotoren: Prof. Dr. Ir. M. PICKAVET , Dr. Ir. S. VERBRUGGE Scriptiebegeleiders: Dr. Ir. K. CASIER, Dr. Ir. B. LANNOO, Ir. M. DE GROOTE

Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van master aster in de ingenieurswetenschappen bedrijfskundige bedrijfskundige systeemtechnieken en operationeel onderzoek

Academiejaar 2009 - 2010

Voorwoord

Het schrijven van een thesis is een werk van lange adem en gaat gewoonlijk niet zonder slag of stoot. Uit een lange lijst aan mogelijke onderwerpen de ‘juiste’ te kiezen, is op zich al een moeilijke opgave. De keuze voor het onderwerp bepaalt in belangrijke mate het verloop van het tweede masterjaar en kan zelfs invloed hebben op een verdere, professionele carrière. Zoals een grootmeester in de beslissingstheorie me ooit vertelde, is een goede beslissing niet noodzakelijk een beslissing met een goede afloop maar wel een beslissing die goed onderbouwd is. Vooraf wilde ik een thesis waarin technologische en economische aspecten hand in hand gaan. Bovendien wilde ik in het onderwerp een actueel of maatschappelijk thema terug vinden. Beide ‘voorwaarden’ kon ik in mijn thesisonderwerp terugvinden waardoor ik gerust kan stellen dat ik, voor mijzelf althans, een goede beslissing heb genomen. Een thesis schrijven vereist ook het nodige geduld en de nodige flexibiliteit. Het is geen uitzondering dat de invulling van het thesisonderwerp regelmatig wordt bijgestuurd of dat het zwaartepunt van de thesis wordt verschoven naargelang de omstandigheden, zoals het al dan niet beschikbaar zijn van informatie. De flexibiliteit om dit struikelblok het hoofd te bieden kan gerust als één van de verworven competenties worden beschouwd. Ik wil tenslotte van dit voorwoord gebruik maken om iedereen te bedanken die bijgedragen heeft aan de realisatie van dit werk. In de eerste plaats wil ik mijn promotoren, Prof. Dr. Ir. Mario Pickavet en Dr. Ir. Sofie Verbrugge bedanken om de mogelijkheid aan te bieden me in het onderwerp van de thesis te verdiepen. Ook mijn thesisbegeleiders Dr. Ir. Koen Casier, Dr. Ir. Bart Lannoo en Ir. Maarten De Groote verdienen een bijzonder woord van dank. Het vele geduld waarmee mijn vragen werden beantwoord, het vakkundige advies om het onderzoek in de juiste richting te sturen, het nalezen van de tekst en de wekelijkse bijeenkomsten waren zonder meer bepalend! Tot slot wens ik mijn familie, vrienden, vriendin en klasgenoten te bedanken voor hun steun. In het bijzonder wil ik mijn ouders bedanken voor de kans die ze mij gegeven hebben om bij te studeren.

Mathias Gheeraert, mei 2010

i

Toelating tot bruikleen

“De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie."

Mathias Gheeraert, mei 2010

ii

Optimalisatie van de klantinstallatie van telecomnetwerken en van het onderhoud in een synergetisch toegangsnetwerk door Mathias GHEERAERT Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van master in de ingenieurswetenschappen bedrijfskundige systeemtechnieken en operationeel onderzoek Academiejaar 2009 - 2010 Promotoren: Prof. Dr. Ir. M. PICKAVET , Dr. Ir. S. VERBRUGGE Scriptiebegeleiders: Dr. Ir. K. CASIER, Dr. Ir. B. LANNOO, Ir. M. DE GROOTE Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: Prof. Dr. Ir. D. DE ZUTTER

Samenvatting In deze thesis onderzoeken we de mogelijkheden voor kostenoptimalisatie in de twee netwerksegmenten het dichtst bij de eindgebruiker. In een eerste deel nemen we het lokaal telecommunicatie netwerk onder de loep. De technische mogelijkheden om een netwerk op te bouwen worden toegelicht, geëvalueerd en geoptimaliseerd. De optimalisatie bestaat erin om de kostenoptimale technologie aan te duiden gegeven de specifieke omstandigheden; daartoe dienen we de kwalitatief technische beschrijving van de netwerktechnologieën te abstraheren en om te zetten in een berekeningsmodel. Zowel investeringskosten als operationele kosten maken deel uit van de studie. In een tweede deel van de thesis wordt het toegangsnetwerk onderzocht. We gaan na in welke mate dit netwerk zich leent tot synergetische effecten met andere infrastructuurproviders. Aangezien de verschillende netwerken volgens dezelfde basisprincipes worden uitgerold en onderhouden lijkt een operationele samenwerking een opportuniteit tot (operationele) kostenbesparing te zijn. Deze opportuniteit wordt zowel kwalitatief als kwantitatief onderzocht.

Trefwoorden Optimalisatie, indoor telecomnetwerk, outdoor toegangsnetwerk, operationele kosten, synergie

iii

Optimization of the customer installation in telecom networks and of the maintenance process in a synergetic access network Mathias Gheeraert Supervisors: Mario Pickavet, Sofie Verbrugge, Koen Casier, Bart Lannoo, Maarten De Groote

Abstract: Cost optimization in the network segments close to the end-user is at increasing interest. This study investigates optimization possibilities in the local area network and the access network. Via quantitative models, general and specific guidelines are formulated for both network segments. Keywords: cost optimization, LAN, access network, synergy

I.

network that is set up (fixed or wireless), the material used for the fixed or backhaul network (which can be copper or fibre) and the standard that is applied. Figure 1 gives an overview.

INTRODUCTION

The closer to the end-user, the more cost sensitive the network installation and operations are, as the costs got divided by a decreasing number of users. For this reason, the need for a cost optimization arises. The first part of the study focuses on the local area network (LAN). The optimization consists of indicating the optimal, i.e. the cheapest, technology given the specific circumstances and requirements. In the second part of the study, we investigate whether we can take profit of synergetic effects with other utility networks in the operational repair process. II.

OPTIMISATION OF THE CUSTOMER INSTALLATION

A. The need for broadband The requirements placed on the inhouse network, in terms of bandwidth and delay, have been growing continuously ever since the commercial introduction of internet. We could state that broadband has become the fourth utility. Therefore, it is not satisfying to have broadband access at only one location in the home. Without a proper inhouse network infrastructure, the home becomes a bottleneck that limits the service. The startingpoint is that broadband should be available anywhere in the home and it should be easy and safe to install and use [1]. B. Choices to be made In order to completely define the inhouse network, the consumer should basically make two choices: technology and architecture. The technology choice on its turn is defined by the type of

Figure 1: Overview network technologies

Besides the technology choice, the consumer can choose among three different basic network architectures: point-to-point and the shared medium architectures bus and tree. Of course, the consumer can customize his own network in order to meet his specific requirements. C. Flow chart With a generic, quantitative model [2], we investigated the influence of different factors on the optimal technology and architecture. The medium fibre, POF in particular, appears to be the best suited to build a future- proof network, taking into account the installation (do-it-yourself) and upgrade possibilities and the increasing bandwidth requirements.

iv

A point-to-point point configuration is indicated as optimal for lowlow rise buildings while a bus configuration appears to be the optimal architecture for high-rise rise buildings. With a shared medium configuration, like a bus, we should however keep in mind that the bandwidth is divided with the other users of the medium. A strict bandwidth requirement can therefore force the user to switch to a point-to-point point or hybrid configuration. Figure 2 summarizes the results of the study in a flow chart.

infrastructures this way, the process times and costs go up but we can share a vast amount of fixed costs. C. Synergy In order to evaluate the synergetic effects of the proposed generic repair process in a quantitative way, we set up a simulation model which estimated the performance measures of interest: costs and process lead times. We found that setting up a generic repair process is only appropriate when the different infrastructures have sufficient mutual interaction (i.e. they regularly fail together). It is only in this situation that the cost savings of a shared repair process outweigh the extra overhead costs involved with w setting up generic process as it is demonstrated in Figure 3.

Total cost (Euro)

1,8E+06 Figure 2:: Flow chart to indicate the optimal network installation

III.

MAINTENANCE IN A SYNERGETIC RGETIC ACCESS NETWORK NETWOR

A. Operational processes Setting up and operating rating a network involves various costs: capital expenditures (CapEx) as well as operational expenditures (OpEx). When the network is up and running the latter typically take the lead. We can subdivide the OpEx for a telecom operator in three main categories ries among which the OpEx to operate the existing network is the most important one. The OpEx for setting up the network and non-telco telco specific OpEx will not be considered. The operational process we focus on in this study is the repair process. We encounter er this process in other utility networks (electricity, water and gas) as well. Therefore, we investigated whether we can take profit of synergetic effects (i.e. reducing costs) by bringing the different repair processes in the different networks closer on an operational level. B. Generic repair process The starting point in the study is the repair process of telecom infrastructures [3]. The process is composed of 6 process steps and involves three different teams: opening and closing the trouble ticket (helpdesk); diagnosis, fault isolation & localization and end-to-end end test (network operations center) and the actual repair (technical team). We encounter the same process steps in the repair processes of other utility networks. This finding provides us with a motivation otivation to combine the central process steps (helpdesk and NOC) into one generic repair process. The actual repair steps of gas, electricity and water could be performed in parallel with the most time-consuming consuming repair of telecom. By organizing the repair process over the four different

independent processes

1,2E+06 generic process

6,0E+05 0,0E+00 0%

20%

40%

60%

80%

100%

Interaction

Figure 3: Synergetic effects related to interaction

IV.

CONCLUSION

Different optimization possibilities were outlined in the network segments the closest to the end-user. end We found that the domain of inhouse telecom networks is multifactorial. As such, a one-size-fits one all solution is a nonexisting one. A qualitative and quantitative study proposed fibre and bus as being the most promising medium and architecture towards the future. In the outside access network we found that synergy with other infrastructures is only fully obtained when the infrastructures are sufficiently interacting. The possible synergies could be increased by bringing the different infrastructures closer throughout more (or even all) operational processes, besides the repair process. REFERENCES [1] [2] [3]

C.P. LARSEN, Broadband and home networks in Sweden – commercial deployment and research status, Acreo AB, Kista, Sweden, 2009 ALPHA, Deliverable D3.3, Cost analysis of proposed in-building in architectures, 2010 S. VERBRUGGE et al., Mode Modeling Operational Expenditures for Telecom Operators, Proceedings of 9th Conference on Optical Network Design and Modeling, Milan (Italy),, 2004, p. 455-466 455

v

Inhoudsopgave

Hoofdstuk 1.

Inleiding.................................................................................................................. 1

1.1

Situering ............................................................................................................................ 1

1.2

Doelstelling ....................................................................................................................... 4

1.2.1

Optimalisatie in installatie van telecomnetwerken .................................................. 4

1.2.2

Onderhoud in een synergetisch toegangsnetwerk ................................................... 5

1.3

Structuur ........................................................................................................................... 6

Hoofdstuk 2.

Optimalisatie in installatie van telecomnetwerken ............................................... 7

2.1

Inleiding............................................................................................................................. 7

2.2

Kwalitatieve selectie ......................................................................................................... 8

2.2.1

Opbouw van een inhouse netwerk ........................................................................... 8

2.2.2

Netwerkdiensten ....................................................................................................... 9

2.2.3

Transmissiemedia .................................................................................................... 11

2.2.4

Netwerkconfiguratie................................................................................................ 14

2.2.5

Draadgebonden technologieën en standaarden..................................................... 17

2.2.6

Draadloze technologieën en standaarden .............................................................. 19

2.2.7

Synthese .................................................................................................................. 22

2.3

Kwantitatief model ......................................................................................................... 26

2.3.1

Inleiding ................................................................................................................... 26

2.3.2

Beschrijving model .................................................................................................. 26

2.3.3

Kostcomponenten ................................................................................................... 29

2.4

Kwantitatieve vergelijking .............................................................................................. 34

2.4.1

Inleiding ................................................................................................................... 34

2.4.2

Samenstelling en evolutie van de installatiekosten ................................................ 34

2.4.3

Invloed lay-out ......................................................................................................... 37

2.4.4

Invloed bandbreedte ............................................................................................... 43 vi

2.4.5

Renovaties ............................................................................................................... 46

2.4.6

OpEx aspecten ......................................................................................................... 49

2.5

Synthese .......................................................................................................................... 50

2.5.1

Technologie ............................................................................................................. 50

2.5.2

Configuratie ............................................................................................................. 51

2.5.3

Installatiewijze ......................................................................................................... 51

2.5.4

Schema .................................................................................................................... 52

Hoofdstuk 3.

Onderhoud in een synergetisch toegangsnetwerk ............................................. 53

3.1

Inleiding........................................................................................................................... 53

3.2

Kwalitatieve studie van het herstellingsproces .............................................................. 56

3.2.1

Telecom-specifiek herstellingsproces ..................................................................... 56

3.2.2

Generiek herstellingsproces .................................................................................... 59

3.3

Kwantitatieve studie ....................................................................................................... 64

3.3.1

Methodiek ............................................................................................................... 64

3.3.2

Case.......................................................................................................................... 65

3.3.3

Scenario’s ................................................................................................................. 67

3.3.4

Resultaten ................................................................................................................ 69

3.3.5

Besluiten .................................................................................................................. 74

3.4

Synthese .......................................................................................................................... 76

Hoofdstuk 4.

Besluit en toekomstperspectieven ...................................................................... 77

4.1

Conclusies ....................................................................................................................... 77

4.2

Toekomstig werk ............................................................................................................. 78

Bijlage A

Overzicht Cd-rom ....................................................................................................... 80

Bibliografie ..................................................................................................................................... 81

vii

Tabel van afkortingen en symbolen

3G

Thrid Generation

AP

Access Point

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber Line

BS

Base Station

BW

Bandwidth

CapEx

Capital Expenditures

CE

Consumenten Electronica

CPE

Customer Premises Equipment

CSMA/CD

Carrier Sense with Multiple Access / Collision Detection

cv

Coefficient of variation

DES

Discrete Event Simulator

DIY

Do It Yourself

EMI

Elektro Magnetische Interferentie

E2E

End-to-end

FTTA

Fibre To The Antenna

FTTH

Fibre To The Home

Gbps

Gigabit per seconde

GPRS

General Packet Radio Service

GSM

Global System for Mobile telecommunication

H(A)N

Home (Area) Network

HCC

Home Communication Controller

HG

Home Gateway

HSDPA

High-Speed Downlink Packet Access

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP

Internet Protocol

ISO

International Organization for Standardisation

LAN

Local Area Network

LED

Light Emitting Diode

viii

LTE

Long Term Evolution

MAC

Media Access Control

Mbps

Megabit per seconde

MMF

Multi Mode Fibre

MTBF

Mean Time Between Failure

MP2MP

MultiPoint to MultiPoint

OpEx

Operational Expenditures

P2MP

Point to MultiPoint

P2P

Point to Point

PDA

Personal Digital Assistant

PLC

Power Line Communication

POF

Plastic (Polymer) Optical Fibre

PSTN

Public Switched Telephone Network

QoE

Quality of Experience

QoS

Quality of Service

RAU

Remote Antenna Unit

RoF

Radio over Fibre

SDSL

Symmetric Digital Subscriber Line

SMF

Single Mode Fibre

TDR

Tijd Domein Reflectometer

TT

Trouble Ticket

UTMS

Universal Mobile Telecommunications System

UTP

Unshielded Twisted Pair

VoIP

Voice over IP

WiFi

Wireless Fidelity

WiMAX

Worlwide Interoperability for Microwave Access

WLAN

Wireless LAN

ix

Hoofdstuk 1.

Inleiding

1.1 Situering In de hedendaagse Westerse samenleving is onbeperkte toegang tot nutsvoorzieningen vanzelfsprekend geworden. Nutsvoorzieningen worden vaak zelfs als een absolute basisbehoefte aangeduid. Een wereld zonder ongelimiteerde toegang tot water, elektriciteit en aardgas is allicht voor velen ondenkbaar. De opkomst en boost van de telecommunicatie, met internet als de meest bekende en beruchte exponent, heeft zelfs een vierde basisbehoefte naar voren geschoven: (breedband) internet. Net zoals dat het geval is met water, elektriciteit en aardgas willen hedendaagse consumenten een onbeperkte toegang tot breedband internet in elke ruimte van het huis. Zo zou ook geen enkele consument aanvaarden dat water maar vanaf één kraan in huis af te tappen is of dat er maar één ruimte in huis voorzien is van elektriciteit. Achter elke nutsvoorziening gaat een netwerk, of nog beter, een samenstel van netwerken schuil. Dit netwerk is opgebouwd uit verschillende functionele netwerkdelen met belangrijke onderlinge verschillen. Algemeen gesproken is een netwerk, ongeacht het type nutsvoorziening, samengesteld uit een lokaal netwerk, een toegangsnetwerk (of access network) en een transportnetwerk. Telecommunicatienetwerken vormen het uitgangspunt doorheen de volledige thesis. De hierna volgende bespreking heeft in eerste instantie betrekking op telecomnetwerken. Waar mogelijk en relevant worden de analogieën met andere infrastructuren aangeduid.

1

Bij een telecomnetwerk is het transportnetwerk samengesteld uit een kern of backbone netwerk (core network) en een aggregatienetwerk (metro network). In het transportnetwerk gaat qua grootteorde het meeste verkeer om. Vanaf het toegangsnetwerk krijgt de gebruiker capaciteit op het transportnetwerk. Met zijn eigen lokaal netwerk ten slotte zorgt de gebruiker ervoor dat de nutsvoorziening tot in de huiskamer wordt gebracht. Een high level overzicht van een typisch telecommunicatie netwerk is weergegeven in Figuur 1.

Figuur 1: High-level overzicht van een telecomnetwerk (uit [7])

De vier netwerksegmenten hebben elke hun eigen functionaliteit en worden gekenmerkt door een verschillende topologie, netwerkdichtheid (afstanden tussen de netwerknodes), transportsnelheid, infrastructuur, protocollen, operator (uitbater en verantwoordelijke)... Naarmate men stroomafwaarts gaat (dus van kern naar lokaal netwerk toe) wordt de afstand tussen de netwerknodes kleiner (de dichtheid van het netwerk neemt met andere woorden toe) en neemt de transportsnelheid af. •

In het kern netwerk bevinden de knooppunten van het netwerk zich op een grote onderlinge afstand en worden ze via een driehoekstructuur met elkaar verbonden. In dit deelnetwerk gaat het grootste netwerkverkeer om. Routers op de knooppunten zorgen ervoor dat dit verkeer via een optimaal pad (typisch het kortste pad) van zender naar ontvanger wordt gestuurd. De combinatie van grote afstanden en grote trafiek zorgt ervoor dat in dit netwerk nood is aan de meest gevorderde techniek. Kern netwerken zonder optische glasvezel als transmissiemedium zijn om die reden ondenkbaar. 2

•

•

•

Het aggregatienetwerk is centraal verbonden met het achterliggende kern netwerk. De netwerkknooppunten met de actieve infrastructuur zijn onderling verbonden via een complexe, gemaasde of ringstructuur, afhankelijk van het gebied dat ontsloten moet worden. Aggregatienetwerken bestaan eveneens volledig uit glasvezelverbindingen. Het toegangsnetwerk zorgt ervoor dat de eindgebruikers een verbinding met het achterliggend netwerk kunnen opzetten. De eindpunten (woningen, appartementen...) zijn typisch in een boomstructuur met elkaar verbonden. Verschillende technologieën kunnen aangewend worden om het toegangsnetwerk op te bouwen: zowel draadloze als draadgebonden technologieën, zowel koper als glasvezel... De meest prominente koperen draadgebonden technologie is de digital subscriber line (met ADSL als meest gekende exponent). Met de opkomst van fibre to the home (FTTH) is het ook mogelijk om glasvezel tot in de huiskamer door te trekken, met toegang tot veel hogere datasnelheden als gevolg. FTTH wordt aangeduid als de next generation access technology. Binnen de draadloze technologieën kunnen we onderscheid maken tussen mobiele netwerken (zoals GSM, GPRS en UMTS) enerzijds en draadloze data netwerken (zoals WiFi en WiMAX) anderzijds. In het lokale netwerk of het local area network (LAN) staat het de eigenaar vrij een eigen netwerkstructuur te ontwikkelen die aan zijn specifieke noden beantwoordt. Het LAN is de laatste stap in breedband aansluiting naar de consument toe.

De verschillende netwerksegmenten worden onderling gekoppeld met behulp van een gateway. Op een gateway vinden technische aanpassingen en/of verificaties plaats. Dergelijke aanpassingen zijn noodzakelijk om het netwerk aan te passen aan de karakteristieken van het netwerk dat volgt in de hiërarchie. De waarschijnlijk belangrijkste transmissie die plaats vindt op een gateway is een snelheidstransmissie. Denk bijvoorbeeld aan de conversie van een 2 Mbps Symmetric Digital Subscriber Line (SDSL)-aansluiting op een 10 Gbps transportnetwerk. Ook bij de andere nutsvoorzieningen heeft een gelijkaardige conversie plaats: de transmissie van het hoogspanningsnetwerk naar het middenspanningsnetwerk (en van het middenspanningsnetwerk naar het laagspanningsnetwerk), het overbruggen van de drukverschillen bij water- en aardgasleidingen... Gateways bij telecommunicatienetwerken hebben daarenboven ook een veiligheidsfunctie. Voorbeelden van security voorzieningen in een telecommunicatie-gateway zijn een firewall, anti-virus-programma's... De gateway tussen het lokaal en het toegangsnetwerk in een telecomnetwerk noemen we de home gateway (HG) of de home communication controller (HCC).

3

1.2 Doelstelling Het onderzoek in deze thesis spitst zich toe op de twee netwerksegmenten het dichtst bij de eindgebruiker: het lokaal netwerk en het toegangsnetwerk. Hoe dichter bij de eindgebruiker, des te kostgevoeliger de installatie en het onderhoud; de kosten worden immers over een afnemend aantal eindgebruikers gedeeld. Een optimalisatie van de kosten in deze netwerksegmenten dringt zich dus op. 1.2.1 Optimalisatie in installatie van telecomnetwerken Indoor telecomnetwerken worden uitgerold om binnenshuis de verschillende telecommunicatiediensten af te leveren in de verschillende ruimtes. In een recent verleden werd voor deze verschillende diensten een aparte bekabeling en een daarbij horend netwerk voorzien: twisted pair voor telefonie, coax voor televisie... Tegenwoordig is er echter een verschuiving in de richting van IP-gebaseerde dienstverlening merkbaar. Het vervangen van de huidige jungle van netwerken door één enkel geïntegreerd IP-gebaseerd multi-service netwerk brengt hierbij triviale voordelen zoals onderhoud en upgrade-vereenvoudiging met zich mee. Figuur 2 geeft een overzicht van een hedendaags indoor telecomnetwerk.

Figuur 2: Overzicht van een hedendaags indoor telecomnetwerk

Naast de zogenaamde triple play operator-diensten (data - voice - video), zijn ook steeds meer consumenten-elektronica (CE) producten IP-gebaseerd. Denk maar aan digitale camera's en digitale audio files. CE-producenten bieden hierbovenop ook nog netwerkdiensten aan om de genoemde multimedia vormen over een indoor netwerk of home area network (HAN) uit te wisselen. Op die manier worden de consumenten zelf producenten van informatie. Meer en 4

meer wordt bovenop deze triple-play eisen, de eis aan mobiliteit opgelegd aan het netwerk, we spreken dan van quadruple play. Deze evolutie impliceert een hogere afhankelijkheid aan breedband en legt hogere eisen op aan het, bestaand of toekomstig, huisnetwerk. Nu ook in Vlaanderen verschillende FTTH-projecten op stapel staan [6] bestaat de uitdaging erin om breedband tot in elke ruimte van het huis te brengen. Zonder een degelijke indoorinfrastructuur wordt het huis immers de bottleneck die het aanbod aan diensten beperkt. De vraag die we in dit onderzoek proberen op te lossen is aan welke eisen een toekomstbestendig huisnetwerk moet voldoen om deze IP-invasie te trotseren. Een huisnetwerk is daarom bij voorkeur flexibel en gemakkelijk up te graden. Qua materiaalkeuze lijkt optische glasvezel (optical fibre) alvast de perfecte kandidaat; naast een enorme bandbreedte garandeert glasvezel ook volledige transparantie met alle soorten signalen. Er dienen echter nog tal van andere factoren in rekening gebracht te worden. Bij bestaande woningen kan men bijvoorbeeld gebruik maken van de reeds beschikbare infrastructuren, zeker omdat herbekabelen niet altijd een goedkope oplossing is. In deze thesis beogen we een installatie-optimalisatie. Het uiteindelijke doel is om een generiek stroomschema op te stellen die de optimale techniek aanduidt in verschillende situaties. Als basis voor dit stroomschema gaan we uit van zowel kwalitatieve (of beschrijvende) informatie uit de literatuur als van kwantitatieve informatie uit een opgesteld berekeningsmodel. 1.2.2 Onderhoud in een synergetisch toegangsnetwerk Het onderzoek binnen het tweede deel van de thesis richt zich op de ontwikkeling van samenwerkingsverbanden tussen verschillende infrastructuurproviders in het toegangsnetwerk. Het exploiteren van een nutsnetwerk gaat gepaard met diverse kosten. De meest voor de handliggende kosten zijn deze verbonden aan het opzetten van de nutsinfrastructuur. Deze kosten worden aangeduid met de term CapEx (Capital Expenditures). Daarnaast, en minstens even belangrijk, zijn de kosten verbonden aan het operationeel houden van het netwerk; men spreekt van OpEx (Operational Expenditures). Traditioneel ging de meeste aandacht uit naar een optimalisatie van de CapEx. In vele studies werden deze kosten aan een uitvoerige studie (en optimalisatie) onderworpen. De OpEx werden dan veel minder gedetailleerd benaderd of als een proportionele kost aan de CapEx toegevoegd. Eens het netwerk is uitgerold nemen de OpEx echter de bovenhand; het zijn immers deze kosten die gerelateerd zijn aan het continu operationeel houden van het netwerk. Op die manier hebben de OpEx een aanzienlijk aandeel in het totale kostenplaatje van een infrastructuurprovider. Een gedetailleerde studie en optimalisatie van de OpEx dringt zich dus op.

5

Alvorens optimalisatiemogelijkheden aan te duiden en te onderzoeken, dienen we de diverse operationele processen van een infrastructuurprovider in kaart te brengen. Het operationeel proces waaraan we in deze thesis bijzondere aandacht besteden is het herstellingsproces. De verschillende netwerkinfrastructuren worden geconfronteerd met dit operationeel proces waardoor het operationeel dichter bij elkaar brengen van het herstellingsproces in de verschillende infrastructuren een opportuniteit tot kostenbesparing kan zijn. Deze opportuniteit wordt in dit onderzoek zowel kwalitatief als kwantitatief onderzocht. In eerste instantie spitsen we ons toe op het telecom specifieke herstellingsproces. Het uitgangspunt in de studie is in de literatuur bestaande modellen voor herstellingsprocessen in telecominfrastructuren. In tweede instantie worden deze operationele modellen uitgebreid of aangepast zodat ze ook voor andere infrastructuren (gas, elektriciteit en water) van toepassing worden. Hierbij wordt zoveel mogelijk gewerkt naar generieke modellen die voor elke specifieke situatie eenvoudig kunnen aangepast worden. De nadruk in deze fase ligt op een kwalitatieve (of beschrijvende) studie van de mogelijke synergieën tussen verscheidene infrastructuurproviders. De aandachtspunten om tot een effectieve samenwerking te komen (de punten van optimalisatie) worden hierbij onderstreept. Daarnaast worden deze kwalitatieve modellen ook omgezet in kwantitatieve (of berekenings-) modellen. Die worden ook verder gebruikt bij het inschatten van operationele kosten en besparingen binnen een realistische case.

1.3 Structuur De twee beschreven onderwerpen worden bestudeerd in Hoofdstuk 2 en Hoofdstuk 3 respectievelijk. De hoofdstukken zijn telkens driedelig opgebouwd: een voorafgaande, kwalitatieve literatuurstudie waarin de meest relevante bevindingen uit de literatuur worden weergeven; vervolgens wordt een kwantitatief model opgebouwd en worden de verkregen resultaten geïnterpreteerd en/of getoetst aan de bevindingen in de literatuur; elk hoofdstuk eindigt met een synthese waarin de belangrijkste resultaten worden aangehaald. In een afsluitend Hoofdstuk 4 worden de algemene besluiten samengevat en worden de mogelijkheden tot toekomstig onderzoek besproken.

6

Hoofdstuk 2.

Optimalisatie in installatie van telecomnetwerken

“Broadband should be available anywhere in a home where it is needed, at any time, and it should be easy and safe to use – just like water, heating and electricity. Broadband is the fourth utility!”, Claus Popp Larsen

2.1 Inleiding Dit hoofdstuk is opgebouwd uit een kwalitatieve en een kwantitatieve studie van inhouse netwerken. In de kwalitatieve studie onderzoeken we in eerste instantie uit welke componenten een typisch inhouse netwerk is opgebouwd, welke diensten het netwerk moet kunnen aanbieden en welke eisen deze diensten opleggen aan het netwerk. Vervolgens worden verschillende transmissiemedia voorgesteld waarmee het netwerk kan worden opgebouwd. Nadien worden mogelijke configuraties toegelicht om vervolgens de meest courante technologieën en standaarden kort te bespreken. De literatuurstudie wordt beëindigd met een synthese waarin getracht wordt de meest geschikte technologie en configuratie aan te duiden in verschillende situaties op basis van de informatie uit de literatuur. In de kwantitatieve studie bouwen we op basis van de literatuurstudie een berekeningsmodel op. Hiervoor maken we een abstractie van alle mogelijke gevallen. Aan de hand van dit model kan dan de invloed van verschillende parameters en factoren op de netwerkkosten worden nagegaan. De goedkoopste netwerktechnologie die aan alle situatiespecifieke randvoorwaarden voldoet, wordt dan als ''de optimale technologie'' aangeduid. Als synthese bij dit hoofdstuk wordt opnieuw een stroomschema opgesteld op basis van de resultaten van de kwantitatieve studie. 7

2.2 Kwalitatieve selectie 2.2.1 Opbouw van een inhouse netwerk Een inhouse netwerk behelst de volledige telecommunicatie infrastructuur die binnenshuis wordt uitgerold. Dit omvat alle componenten vanaf de Home Gateway (HG) of Home Communication Controller (HCC) tot aan de eindgebruiker. De HCC is de plaats waar het netwerk het huis binnenkomt. Het treedt op als de scheiding, de zogenaamde residential gateway, tussen het toegangsnetwerk en het binnenhuisnetwerk. Deze HCC kan zowel modelfuncties (signaal vertaling) als router-functies (netwerk controle, routering) op zich nemen. De HCC bevindt zich meestal op een goed bereikbare plaats waar ook andere voorzieningen het huis binnenkomen (typisch voorbeeld: de garage of kelder). Het eindpunt van het netwerk kan de vorm aan nemen van verschillende toestellen of terminals. Traditioneel denken we aan computers (desktops, laptops), maar tegenwoordig zijn andere toepassingen legio: PDA's, televisietoestellen, printers... Daartussen bevindt zich een infrastructuur die we het inhouse netwerk noemen. Een typisch inhouse netwerk wordt geschetst in Figuur 3.

Figuur 3: Overzicht inhouse netwerk

8

We herkennen de volgende netwerkcomponenten: • • • •

Kabel (cable): het fysieke medium waarover data-transport plaats heeft. Leiding (duct): de infrastructuur waarin de kabels worden uitgerold; leidingen kunnen zowel in- als opgebouwd worden. Connector: de verbinding tussen kabelsegmenten en andere componenten. Contactdoos (outlet): de eindpunten van het netwerk; op deze plaats kan toegang verkregen worden tot het netwerk.

Daarnaast kunnen, afhankelijk van het gebruikte medium of de toegepaste netwerkconfiguratie, volgende componenten deel uit maken van het netwerk: •

•

• •

Switch: apparaat dat bij shared medium netwerken de communicatie verzorgt tussen de verschillende segmenten en de HCC. Een switch stuurt binnenkomende datapakketjes naar de geadresseerde poorten (we spreken van een pakketgeschakelde verbinding). Hub: net als een switch laat een hub communicatie toe tussen verschillende segmenten en de HCC. In tegenstelling tot een switch, stuurt een hub de binnenkomende datapakketjes simpelweg door naar alle poorten op het netwerk. Media Convertor: zet de analoge signalen om in digitale bij een glasvezelnetwerk. Wireless Access Point: genereert draadloze (analoge) signalen.

2.2.2 Netwerkdiensten Er is een uitgebreid aanbod aan diensten die over het toegangs-, mobiel en inhouse netwerk getransporteerd moet worden. Grofweg kunnen we deze diensten indelen in traditionele diensten en nieuwe diensten. Aan de hand van specifieke gebruikersscenario’s [9] kunnen de eisen bepaald worden die aan het netwerk opgelegd worden. Deze eisen dienen als randvoorwaarden bij het bepalen van de optimale techniek. Traditionele diensten Traditionele diensten zijn diensten die reeds geruime tijd commercieel op de markt zijn. Deze basistoepassingen waarop residentiële gebruikers beroep doen zijn in te delen in drie grote groepen: • • •

1

toegang tot breedband internet1 mobiele en vaste telefonie (ook IP-telefonie) televisie

Internet is geen enkelvoudige toepassing, maar behelst meerdere applicaties: surfen, e-mail, messaging...

9

Dit zogenaamde triple play2 aanbod wordt geacht gebruiksvriendelijk te zijn met een steeds hogere Quality of Experience (QoE) en Quality of Service (QoS). Elk van deze toepassingen onderscheidt zich ten opzichte van de anderen in termen van verschillende bandbreedtebehoefte en vertragingsgevoeligheid (delay sensitivity). Deze diensten zijn erg onderhevig aan evoluties met toenemende behoeften als gevolg. Nieuwe diensten In de IT-maatschappij van vandaag worden ook een aantal 'nieuwe' diensten aangeboden. Dit zijn diensten die we niet onder de traditionele triple play-indeling kunnen thuisbrengen of nieuwe toepassingen die via internet worden aangeboden. Net zoals bij de traditionele diensten worden deze nieuwe diensten gekenmerkt door een continue evolutie en bijgevolg toenemende behoeften. Een greep uit de quasi eindeloze lijst aan nieuwe diensten: • •

• •

virtuele omgevingen: online games, sociale netwerken en omgevingen... remote technical services: remote residential backup (backup van foto's en video's), remote home monitoring (van op afstand huishoudelijke toestellen bedienen: alarm, thermostaat, verlichting, wasmachine...), remote computer, location based services... internet gerelateerde diensten: file sharing, e-banking, e-shopping... video conferenties

Behoeften De beschreven diensten leggen eisen op aan het netwerk [2] . De belangrijkste eisen zijn de bandbreedte (of de throughput), de vertraging (of de delay) en de variatie van de vertraging (of de jitter). Tabel 1 geeft een overzicht van enkele frequent voorkomende diensten [1] . De delay en jitter voor e-mail zijn niet kritisch; ze kunnen oplopen een grootteorde van enkele seconden. Tabel 1: Overzicht behoeften

Dienst Internet (surfen) e-mail IP telefonie IPTV Video conferentie Home monitoring

2

Throughput 1 – 100 Mbps 1 Mbps 100 kbps 2 – 20 Mbps 4 Mbps 1 Mbps

Delay <4s / < 200 ms < 400 ms < 200 ms < 400 ms

Jitter < 10 ms / < 50 ms < 50 ms < 50 ms < 50 ms

Als we mobiliteit als extra dienst zien spreken we van quadruple play

10

2.2.3 Transmissiemedia Verschillende media kunnen aangewend worden om gegevens over het netwerk te transporteren. Naast het klassieke medium koper wordt meer en meer gebruik gemaakt van glasvezel voor draadgebonden netwerken. Draadloze netwerken maken daarenboven ook nog gebruik van het medium lucht. Koper Het medium koper kent vele toepassingen in telecommunicatie. De transmissie van data wordt gerealiseerd door elektrische geleiding. We vinden koper terug onder verschillende vormen, elke vorm kent of kende zijn eigen specifieke toepassing. De oudste vorm van koperen bekabeling vinden we terug in het elektriciteitsnetwerk. Naast het transport van elektriciteit kan deze infrastructuur ook gebruikt worden om data te transporteren dankzij de Power Line Communication (PLC)-technologie. Coaxiale kabels bestaan uit één koperader met daaromheen isolatiemateriaal. Om dit isolatiemateriaal heen bevindt zich een metalen mantel van gevlochten draad als retourkanaal. Deze mantel schermt de centrale kern af als een kooi van Faraday. Coaxkabel werd en wordt veelvuldig toegepast als televisie en radio kabel maar kan eveneens aangewend worden om breedbandnetwerken op te bouwen. Twisted pair kabels ten slotte bestaan uit twee paarsgewijs in elkaar gedraaide koperdraden die voorzien zijn van een plastic afscherming. De draden zijn in elkaar gedraaid om storingen te voorkomen. Twisted pair kabels worden nog steeds veelvuldig gebruik in telecommunicatienetwerken. Een vaak gebruikte vorm van twisted pair bekabeling is Unshielded Twisted Tair (UTP); deze bestaat uit vier geïsoleerde koperen aderparen die twee aan twee in elkaar zijn gedraaid. Van UTP-bekabeling zijn meerdere soorten op de markt, gaande van categorie 3, 4, 5, 6 en 7 over klasse D, E en F. De categorie is een maat voor de kwaliteit: hoe hoger de categorie, hoe hoger de kwaliteit. Categorie 3 en lager, de zogenaamde voice grade, is bedoeld voor de traditionele bekabeling voor telefonie. Categorie 5 en hoger, de data grade, is bedoeld voor snelle lokale netwerken. De klasse-specificaties werden vastgesteld door de International Organization for Standardisation (ISO). De klasse-specificaties kaderen in de standaardisatie van de kabeltypes met een hogere kwaliteit (5 en hoger). Klasse D is de standaard voor een 100 MHz kabel, klasse E is voor een 200 MHz kabel en klasse F voor een 600 MHz kabel.

11

Glasvezel Het medium glasvezel transporteert gegevens door middel van licht, waarbij de lichtimpulsen en de pauzes de enen en de nullen voorstellen. Een Light Emmiting Diode (LED) zet inkomende digitale signalen om naar lichtsignalen. Een media convertor zet de lichtpuls weer om in een digitaal signaal (O/E conversie). In tegenstelling tot koper, maakt het medium glasvezel gebruik van optische geleiding. Aangezien optisch glasvezel bestaat uit niet-galvanisch materiaal, produceren ze geen elektromagnetische straling en ontstaat er dus geen elektromagnetische interferentie (EMI). Glasvezel kan dus probleemloos gecombineerd worden met koperen bekabeling. Deze laatste eigenschap kan bijvoorbeeld aangewend worden om de installatiekosten te drukken. Bij glasvezelnetwerken kan een onderscheid gemaakt worden tussen volledig optische netwerken en opake configuraties. In het eerste geval worden zowel het gegevenstransport als het routeren verzorgd door optische componenten. Dit garandeert een volledige transparantie met zowel IP-gebaseerde als niet-IP-gebaseerde signalen. Optisch routeren kan bijvoorbeeld gerealiseerd worden door wavelength multiplexing. In het geval van een opake architectuur, zorgen elektrische componenten en elektrisch-optische en optisch-elektrische convertoren (E/O/E) voor de routering. In dat geval is er geen sprake van een volledige transparantie. We kunnen glasvezel onderverdelen in twee groepen: multimode en singlemode glasvezel. De drie types glasvezel die we in deze studie zullen bespreken zijn multimode plastic optical fibre (POF), multimode silica fibre (MMF) en singlemode silica fibre (SMF). De belangrijkste eigenschappen van deze drie types glasvezel zijn samengevat in Tabel 2. Tabel 2: Eigenschappen van glasvezelkabels (uit [3] )

Type

Dikte (glasvezelkern)

Golflengte

Bandbreedte.afstand

POF

1 mm

500 – 650 nm

40 MHz.100m

MMF

50 μm

800 – 900 nm & 1250 – 1350 nm

< 2 GHz.km

SMF

< 1 μm

1260 – 1360 nm & 1430 – 1580 nm

500 GHz.km

POF is een gebruiksvriendelijk medium om een inhouse netwerk op te bouwen. POF laat verschillende installatiemethoden toe: in de muren, opgebouwd op de muren (vb. op de plint), in combinatie met koperen kabels... Het gemak waarmee POF kan worden geïnstalleerd, zelfs door niet-professionelen, wordt aangeduid als het Do-It-Yourself (DIY) aspect van POF. Op dit moment zijn POF 100 Mbps ethernet (over een afstand van 70 tot 100 meter) toepassingen op de markt. Men voorziet echter dat in de nabije toekomst een POF infrastructuur geüpgraded kan worden om tot 1 Gbps ethernet tot 50 meter (of 100 Mbps over 12

langere afstand) af te leveren [4] . Bij een upgrade worden de actieve componenten (switches, convertoren...) vervangen, waardoor de snelheid van het systeem verhoogt. Deze mogelijkheid tot upgrade kan een investering in POF verantwoorden. Een belangrijk probleem bij POF is het gebrek aan standaardisatie: componenten van één leverancier maken gebruik van andere connectoren dan componenten van een andere leverancier. Hoewel er op dit moment wordt aan gewerkt [16] , kan het huidige gebrek aan standaardisatie een rem betekenen op de verdere diffusie van een commercieel gebruik van POF. MMF wordt gebruikt voor een gemiddelde tot snelle gegevensoverdracht over redelijke afstanden. MMF heeft een lagere bandbreedte en een hogere vertraging dan SMF. Desondanks komt MMF vaker voor bij inhouse netwerken. Voor de korte afstands verbindingen in typische inhouse netwerken zijn de karakteristieken van MMF zeker toereikend en toekomstvast. SMF is een enkelgolvige lichtgeleider. Singlemode glasvezel is geschikt voor zeer snelle en hoge capaciteitsoverdracht over grote afstanden. Wat bandbreedte en vertraging betreft is SMF het beste transmissiemedium. Echter, voor inhouse netwerken is SMF minder praktisch gezien de dure installatiekosten (gespecialiseerde arbeid en duur gereedschap). Ondanks de goede transmissie-eigenschappen wordt er voor korte verbindingen (zoals in een typisch inhouse netwerk) vaak niet geopteerd voor SMF. Een groot verschil tussen de types glasvezel is dus de dikte: multimode glasvezel (POF en MMF) is dikker dan singlemode glasvezel (SMF). De dure installatie van singlemode glasvezel is een rechtstreeks gevolg hiervan. Lucht Bij draadloze verbindingen worden radio-golven bij een bepaalde frequentie uitgezonden vanaf het draadloos toegangspunt via de lucht naar de verschillende ontvangers. Draadloze media maken dus gebruik van elektromagnetische geleiding. Er is verder geen geleidend medium nodig om de signalen over te brengen.

13

2.2.4 Netwerkconfiguratie Er worden drie verschillende types architectuur beschouwd: point-to-point (P2P), point-tomultipoint (P2MP) en multipoint-to-multipoint (MP2MP). Deze laatste twee types zijn zogenaamde shared media technologieën aangezien verschillende toestellen één medium delen. Naast de basistypes kunnen ook hybride vormen voorkomen waarbij het netwerk een samenstelling is van verschillende basisvormen. Een andere variant op de basistypes zijn de zogenaamde ster-varianten waarbij de HCC centraal in het gebouw wordt geplaatst. Stervarianten kunnen toegepast worden om de benodigde hoeveelheid kabel te beperken. Point-to-point In deze configuratie is elke terminal voorzien van een individuele kabelverbinding met de HCC. De HCC fungeert in dit geval dus als een actieve switch, men spreekt ook over een actieve ster configuratie. De voor- en nadelen van deze configuratie zijn triviaal: elk aangesloten toestel kan gebruik maken van de volledige capaciteit van de verbinding en het upgraden van één bepaalde link kan zonder andere links aan te passen, dit evenwel tegen een hogere materiaalkost ten opzichte van shared media configuraties.

Figuur 4: P2P configuratie

Point-to-multipoint Bij een point-to-multipoint topologie zijn meerdere toestellen en/of ruimtes aangesloten op eenzelfde verbinding met de HCC. Binnen deze configuratie onderscheiden we bus en tree architecturen. Cruciaal bij deze configuraties is de signaalinversie. Indien bij glasvezelnetwerken het splitten van het signaal niet-optisch gebeurt, spreekt men van een opake architectuur: het splitten wordt dan gerealiseerd met behulp van O/E/O conversie. Voor een volledig optische configuratie zijn er twee mogelijkheden. Ten eerste kan één enkele glasvezellink gebruikt worden waarbij de twee-richtings communicatie verzorgd wordt door twee gescheiden golflengtes (één voor de uplink en één voor de downlink). Dit wordt wavelength 14

multiplexing genoemd. Een tweede mogelijkheid bestaat erin om twee kabels3 en twee optische splitters (één voor de uplink en één voor de downlink) te gebruiken. Bus Verschillende terminals worden parallel aangesloten op het zelfde fysieke medium. Langsheen de bus zijn verschillende signal taps of hubs. Dit vereist uiteraard een Media Access Control (MAC) protocol om er voor te zorgen dat verschillende aangesloten toestellen niet gelijktijdig gebruik maken van het medium. Bij ethernet wordt gebruik gemaakt van het MAC Carrier Sense with Multiple Access / Collision Detection (CSMA/CD).

Figuur 5: Bus configuratie

Tree Deze shared media configuratie kenmerkt zich door een hiërarchische topologie van nodes of knooppunten. De HCC kan beschouwd worden als de root node. Deze node is point-to-point verbonden via een feeder kabel met de zogenaamde nodes van de tweede orde (bijvoorbeeld op elk verdiep). De nodes van tweede orde zijn dan switches of 1xN couplers: aan één zijde verbonden met de HCC, aan de andere zijde met de N terminals op het verdiep. Deze nodes zijn op hun beurt dan weer point-to-point verbonden met nodes van de 3e orde (bijvoorbeeld in elke ruimte), en zo verder...

3

Indien communicatie in twee richtingen kan plaatsvinden door twee gescheiden kanalen spreken we van een fullduplex kanaal.

15

Figuur 6: Tree configuratie

Multipoint-to-multipoint Deze configuratie wordt meestal uitgevoerd als een ster-configuratie met behulp van een NxN coupler. Het laat directe communicatie toe tussen de verschillende verbonden ruimtes en toestellen zonder de tussenkomst van de HCC. De verschillende aangesloten toestellen zijn point-to-point gekoppeld aan een star coupler. Deze configuratie is logisch equivalent aan een busconfiguratie.

Figuur 7: MP2MP configuratie

16

2.2.5 Draadgebonden technologieën en standaarden Technologieën •

•

•

Power Line Communication (PLC) is een technologie die gebruik maakt van het elektriciteitsnetwerk voor datacommunicatie. Afhankelijk van de transportsnelheid kunnen we een onderscheid maken tussen smalband (vb. domotica) en breedband PLC. Met een filter kan ruis ten gevolge van op het netwerk aangesloten toestellen (stofzuiger, wasmachine...) voorkomen worden en wordt vermeden dat de signalen op het openbare elektriciteitsnetwerk terecht komen. Een belangrijk voordeel van de PLC technologie is dat het elektriciteitsnet zowat elke lokatie in het huis bereikt met een consistente throughput rate. De kwaliteit (de throughput) van PLC heeft wel te lijden onder storingen omwille van andere aangesloten toestellen op het netwerk (huishoudtoestellen, boormachines...). Een ander nadeel is dat het netwerk rechtstreeks verbonden is met naburige elektriciteitsnetwerken. Verder wordt het signaal in belangrijke mate verzwakt door de schakelkast. Aangezien de elektriciteitskabels fungeren als grote antennes, en dus veel radio-energie uitzenden, ontstaat er een risico op interferenties door radiosignalen. Het medium coax, zoals het werd beschreven in 2.2.3, kan ook worden aangewend om hogesnelheidsnetwerken op te bouwen. Door de grote hoeveelheid ongebruikte bandbreedte aanwezig op een coaxkabel en door het feit dat meeste bestaande woningen zijn uitgerust met coax-netwerk, zijn interessante toepassingen voor deze techniek weggelegd. Ethernet is de oudste, meest gebruikte en algemeen aanvaarde LAN-technologie. Oorspronkelijk was ethernet ontworpen rond het concept van bus-technologie met CSMA/CD als toegangsmechanisme [13] . De technologie maakt gebruikt van bekabeling voor het opbouwen van een IP-gebaseerd netwerk. Oorspronkelijk werd een koperen bekabeling gebruikt voor het opbouwen van het netwerk. Het ethernetprincipe kan evenwel ook toegepast worden met glasvezel bekabeling. Met hubs en switches werd Ethernet een ster-topologie (switched ethernet). Alle toestellen zijn hierbij point-to-point verbonden met de switch. In woningen waar geen TP of glasvezelnetwerk is uitgerold wordt ethernet, ondanks de lage kosten technologie, een dure techniek; herbekabelen is immers altijd een dure operatie. Koperen bekabeling heeft bovendien het nadeel gevoelig te zijn aan elektromagnetische ruisbronnen. Glasvezel bekabeling heeft dit nadeel niet.

17

Standaarden •

•

•

Verschillende standaarden kunnen over PLC worden aangeboden: HomePlug powerline alliance, OPERA (eerst op de markt) en CEPRA. De meest waarschijnlijke throughput die gerealiseerd kan worden ligt rond 10-80 Mbps [1] . De gesloten standaard MoCa wordt aangewend om hoge snelheidsdiensten aan te bieden over het coax netwerk. Een belangrijk aspect van MoCa is de MAC-gebaseerde QoS, hierdoor kan een bepaalde bandbreedte gegarandeerd worden aangeboden. MoCa claimt een minimale, dedicated, bandbreedte van 100 Mbps te kunnen aanbieden [1] . Door het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) werd een standaard gedefinieerd die het concept ethernet volledig beschrijft: de IEEE-802.3 specificatie. Oorspronkelijk werd het medium coax aangewend om een ethernet netwerk op te bouwen. De dikke coaxkabel werd aangeduid met het acroniem '10Base5', wat stond voor 10 Mbps ethernet met een maximale segment lengte van 500 meter. Een alternatief dat flink heeft bijgedragen aan de populariteit van ethernet is de twisted-pair versie '10BaseT' (waarbij de T staat voor twisted pair). Door de vlug gegroeide populariteit van het ethernet ontstond al snel de behoefte aan hogere snelheden dan 10 Mbps. Als variant werd daarom het fast ethernet ontwikkeld: '100BaseTx' (bandbreedte van 100 Mbps). In 1995 werd een glasvezel aanvulling op de IEEE 802.3u-specificatie gedefinieerd, namelijk ‘100BaseFx’ (waarbij F staat voor Fibre). Een volgende stap in de ontwikkeling was het gigabit ethernet, een directe extrapolatie van fast ethernet naar een tienmaal zo hoge snelheid (1000BaseT, gestandaardiseerd in IEEE 802.3z). Met het beschikbaar komen van fast ethernet voor twisted pair en glasvezel naar de terminals, was het noodzakelijk om een backbone variant te hebben die voldoende capaciteit had om meerdere fast ethernet-segmenten te kunnen koppelen. 10 Gigabit ethernet, gestandaardiseerd in IEEE-802.3ae, is de laatste variant. Het toegangsmechanisme CSMA/CD kan echter niet meer gebruikt worden. Tabel 3 geeft een (beperkt) overzicht van bestaande ethernet standaarden [13] . Tabel 3: Ethernet standaarden

Specificatie 802.3 802.3u (Fast Ethernet) 802.3z (Gigabit Ethernet) 802.3ae (10 Gigabit Ethernet)

Standaard 10BaseT 100BaseTx 100BaseFx 1000BaseT 1000BaseTx 10GBaseLR 10GBaseSR 10GbaseCX

Type medium Cat3 en lager Cat5 POF Cat5e Cat6 SMF MMF Cat7

18

2.2.6 Draadloze technologieën en standaarden Technologieën •

•

•

Vanaf een standaard access point (AP) worden de draadloze, analoge, signalen opgewekt. De verschillende access points zijn onderling verbonden door een ethernet infrastructuur. Typisch wordt de WiFi standaard aangeboden vanaf een AP. Eén WiFi AP kan een paar kamers overbruggen (zie verder). Een femtocell is een klein cellulair basisstation met een laag zendvermogen (klein bereik) dat door middel van een breedband internetaansluiting, een IP-verbinding over koper of glasvezel, verbonden is met het vaste netwerk van een mobiele telefoonmaatschappij. Femto-cellen werden ontwikkeld om in-huis gebruik van de mobiele telefoon mogelijk te maken. In de huidige uitvoering ondersteunt een femtocellstation twee tot vijf mobiele telefoons gelijktijdig. Het voordeel voor de gebruiker is dat een femtocell binnenshuis de service kwaliteit verhoogt in gevallen waar er geen zendmast in de buurt is. Femtocellen kunnen gebruikt worden om de WiMAX en 3G standaarden aan te bieden. Radio-over-Fibre (RoF) is een technologie die, zoals de naam al doet vermoeden, enkel over glasvezel kan aangeboden worden. RoF kan in principe gebruikt worden om verschillende draadloze signalen van een central base station naar een remote antenna unit (RAU) te brengen [15] . Bij RoF wordt een draadloos signaal gegenereerd op een centraal punt, waarna dit analoge signaal eerst via glasvezel wordt getransporteerd tot aan een remote punt, in plaats van rechtstreeks in de lucht. Het is pas vanaf dit remote punt dat het signaal via de lucht wordt uitgezonden. Aangezien de volledige verbinding tot aan het remote punt over glasvezel loopt, spreekt men ook van fibre to the antenna (FTTA). Het draadloos signaal kan zowel een WiFi signaal zijn, als WiMAX en 3G. Digitale en analoge signalen kunnen dus getransporteerd worden over hetzelfde glasvezelnetwerk. Het analoge RoF signaal is in dit netwerk gescheiden van het digitale signaal door het over een andere frequentieband te transporteren. Het voordeel van RoF komt vooral tot uiting bij hogere frequenties (bv. 40 of 60 GHz) aangezien bij deze hogere frequenties de attenuatie vrij hoog is, en er per kamer een (vrij duur) base station nodig zou zijn. Het centraliseren van het base station levert een schaal/kost voordeel op, en in de kamers heb je dan enkel 'domme' antennes nodig, zonder complexe componenten voor modulatie, foutcorrectie... Met RoF kunnen ook de zogenaamde dead spots in een woning gemakkelijk bereikt worden. Bovendien is het een toekomstbestendige techniek aangezien het snelheden tot enkele Gigabits aankan en protocol en bitrate transparant is.

19

Standaarden •

Het acroniem WiFi (Wireless Fidility) staat voor een verzameling standaarden voor draadloze LAN (WLAN) gebaseerd op de IEEE 802.11 specificaties en geldt zodoende als certificatielabel. Er zijn verschillende WiFi standaarden: IEEE 802.11b (in onbruik), IEEE 802.11g, IEEE 802.11a en IEEE 802.11n. Sinds augustus 2009 werd laatstgenoemde een officiële standaard, voor augustus 2009 sprak men van IEEE 802.11n draft 2.0. WiFi is verder ook terugwaarts compatibel, wat betekent dat hogere standaarden compatibel zijn met lagere. Een nadeel van dit terugwaarts compatibel zijn is wel dat dit tot een verminderde performantie in de volledige throughput kan leiden. De bandbreedte of de meest waarschijnlijke throughput die met WiFi gehaald kan worden hangt af van de geldende standaard [13] . In de standaard is onder andere de eerste OSI-laag, de ‘Physical Layer’ PHY gedefinieerd. De werkelijke, praktische throughput die gerealiseerd kan worden is lager de throughput op deze eerste laag. In Tabel 4 wordt een overzicht gegeven van de meest courante WiFi standaarden. Tabel 4: WiFi standaarden

Standaard 802.11b 802.11g/a 802.11n

PHY throughput 11 Mbps 54 Mbps 240 Mbps

Praktische throughput 6 – 7 Mbps 25 – 30 Mbps 80 – 100 Mbps

Producten die volgens de WiFi standaarden werken maken gebruik van de radiofrequenties in de 2.4 GHz-5.0 GHz band, die onder voorwaarden zonder licentie gebruikt mogen worden. Net omdat het WiFi frequentie spectrum niet gelicentieerd is, kan interferentie ontstaan met andere WiFi signalen, CE producten of bluetooth die van hetzelfde spectrum gebruik maken. Deze interferenties kunnen tot een verminderde performantie (lagere beschikbare bandbreedte) leiden. Een gebruiker kan ook last ondervinden van naburige netwerken. In dichtbevolkte gebieden, zoals appartementsgebouwen, leidt dit onvermijdbaar tot kanaaloverlappingen met een verminderde performantie tot gevolg. Daarnaast zijn de vermelde bandbreedtes niet altijd even stabiel, waardoor sommige dead spots in huis kunnen ontstaan; dit zijn plaatsen in huis die het netwerk niet kan bereiken. Verminderde performantie kan ook een gevolg zijn van de constructie van het gebouw; de techniek werkt niet goed in gebouwen waarin veel metaal verwerkt is. Toepassingen zoals video ten slotte belasten het netwerk enorm en maken dus de technologie voor dergelijke toepassingen ongeschikt. Aan de standaard zijn ontegensprekelijk wel een aantal grote voordelen verbonden wat WiFi dan ook bijzonder populair maakt. Het meest triviale voordeel ligt uiteraard in het 20

•

•

4

draadloos zijn van het signaal, waardoor een bestaand netwerk kan uitgebreid worden met een WiFi netwerk tegen zeer lage installatiekosten. Bovendien behoren de hogervermelde onstabiliteits- en interferentieproblemen zo goed als tot het verleden met de nieuwe technologieën. 3G (Third Generation) duidt op de derde generatie4 van standaarden en technologieën van mobiele telefoons. 3G technologieën geven mobiele gebruikers een breder bereik van diensten met geavanceerde mogelijkheden, en aan een grotere netwerksnelheid. Deze diensten bevatten ondermeer VoIP, videoconferentie en breedband internettoegang in een mobiele omgeving. De snelheden liggen typisch tussen 5 en 10 Mbps en liggen volledig in de lijn van breedbandsnelheden op vaste verbindingen. De bekendste standaarden uit de 3G familie zijn UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), LTE (Long Term Evolution)... WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) is opgezet om de conformiteit en interoperabiliteit te promoten van apparatuur gebaseerd op de IEEE 802.16 standaard (standaard voor breedbandige draadloze netwerken). Formeel wordt WiMAX ingezet voor de ontsluiting van de last mile. De bandbreedte die met WiMAX gehaald kan worden is sterk afhankelijk van de omstandigheden. Onder ideale omstandigheden is een bandbreedte van 70 Mbps over 50 km te halen. Praktisch is 70 Mbps én 50 km niet mogelijk: bij grote afstanden wordt een laag modulatieschema gebruikt wat een lagere bandbreedte tot gevolg heeft. WiMAX wordt ook wel aangeduid als de vierde generatie (4G) mobiele netwerken. Het principiële verschil tussen WiMAX en WiFi is, dat WiMAX een meer master-slave georiënteerde standaard is, waarbij het basisstation de volledige controle over transmissies heeft. Dit heeft als voordeel dat een WiMAX-systeem QoS veel beter weet te garanderen, maar heeft als nadeel dat het uitrollen van een WiMAX-netwerk veel meer kennis en planning vergt, omdat het veel minder georiënteerd is op het eerlijk delen van het kanaal met andere systemen, iets waarrond WiFi principieel is opgebouwd. Voor huis-tuin-en-keukengebruik is een WiMAX-basisstation dan ook niet geschikt.

De derde generatie na 2G (GSM) en 1G (analoge technologieën).

21

2.2.7 Synthese Het doel van deze synthese is om via een stroomschema de meest geschikte technologie en configuratie aan te duiden in een residentiële situatie op basis van de informatie uit de literatuur. Daartoe geven we eerst een overzicht van de technologieën besproken in 2.2.5 en 2.2.6. Nadien definiëren we verschillende scenario’s die kunnen voorkomen in een residentiële situatie. De invulling van deze scenario’s wordt dan ter afronding voorgesteld. Een belangrijke opmerking hierbij is dat 'de ideale techniek', een zogenaamde one-size-fits-all oplossing, niet bestaat. In tegendeel, voor eenzelfde situatie kunnen verschillende oplossingen ontworpen worden. Meestal is het dan ook zo dat het huisnetwerk samengesteld is uit verschillende technologieën en configuraties (dus een hybride netwerk) die elk een specifieke toepassing ondersteunen. Technologieën

Standaard

Technologie

Materiaal

Vorm

Toepassing

Figuur 8 geeft een schematisch overzicht van de besproken technologieën en standaarden.

Figuur 8: Overzicht netwerktechnologieën

22

Scenario-indeling Afhankelijk van het toepassingsgebied, de aard van het gebouw en het type van het gebouw kunnen we verschillende scenario's onderscheiden. Bij bestaande gebouwen kan een aanwezige infrastructuur daarenboven extra mogelijkheden scheppen. Toepassingsgebied Als toepassingsgebied onderscheiden we enerzijds de residentiële gebouwen waaronder voornamelijk huizen en appartementen vallen en anderzijds publieke of semipublieke gebouwen (kantoorgebouwen, ziekenhuizen, luchthavens, shopping centers...). We beperken ons in deze studie tot residentiële situaties. Aard gebouw We onderscheiden nieuwe gebouwen (greenfield) en bestaande gebouwen (brownfield). Bij greenfield zijn er in principe geen beperkingen naar installatie toe. Voor dergelijke situaties is het belangrijk om een toekomstvaste infrastructuur te installeren. Het volledige ontwerp van de netwerkinfrastructuur wordt vastgelegd in de designfase: aantal outlets, type bekabeling,... Het uitgangspunt is dat het netwerk IP-gebaseerde triple play diensten moet aanbieden: TV, telefonie en internet worden dus over eenzelfde infrastructuur verdeeld. Bij brownfield zijn er meestal belangrijke praktische randvoorwaarden. Er zijn verschillende mogelijkheden om een bestaand netwerk up-te-graden naar een netwerk dat aan de huidige behoeften beantwoordt (dit upgraden wordt "retrofitten" genoemd). Bij brownfield kan er bovendien gebruik gemaakt worden van bestaande bekabeling. Veelal is er in bestaande gebouwen reeds een bepaalde infrastructuur aanwezig (datanetwerk, elektriciteitsnetwerk en/of coax netwerk) die kan aangewend worden voor het opbouwen van een data netwerk. Type gebouw Als laatste indelingscriterium dient er een onderscheid gemaakt te worden tussen laagbouw en hoogbouw. De grens tussen beide types werd min of meer arbitrair bepaald op 3 bouwlagen. Bij laagbouw denken we vooral aan de situatie van een éénsgezinswoning; hoogbouw stelt de situatie van appartementen of MDU's (Multi Dwelling Units) voor. Door deze criteria te combineren kunnen zes verschillende scenario's onderscheiden worden (Figuur 9).

23

Toepassingsgebied

Aard gebouw

Situatie

Gebouwtype

Figuur 9: Overzicht scenario's

Om de scenario’s van Figuur 9 in te vullen moeten twee keuzes worden gemaakt: configuratie en technologie. Het spreekt voor zich dat een gemaakte keuze de andere keuze(s) beïnvloedt. Door de populariteit van mobiliteit worden meer en meer draadloze netwerken uitgerold bovenop of in combinatie met het vaste netwerk. Draadloze netwerken kunnen tot op zekere hoogte vaste netwerken vervangen maar kunnen eveneens beschouwd worden als complement met het bedrade netwerk. De uiteindelijke invulling van de scenario's op basis van de informatie uit de literatuur wordt weergegeven in Figuur 10. Indien in de literatuur verschillende voorstellen worden gedaan, worden deze als verschillende (niet-hiërarchische) ‘opties’ in het schema opgenomen. Deze verschillende opties suggereren opnieuw dat de ideale oplossing niet bestaat en dat het schema in Figuur 10 geenszins volledigheid claimt.

24

Hoogbouw Laagbouw Hoogbouw Laagbouw

Hergebruik bekabeling

Brownfield

Nieuwe bekabeling

Laagbouw

Greenfield

Hoogbouw

Optie Optie 1

Bron [14]

Draadgebonden - P2MP: bus - glasvezel: POF, MMF of SMF - opaak P2P - POF bekabeling + elektrische switches

Optie 2

[1]

Optie 1

[4] , [16]

- MP2MP of P2P - koper: UTP, Cat5e (of hoger)

Optie 2

[1] , [4] , [14]

- ster of optisch P2P - glasvezel: POF of MMF

Optie 1

[4]

Installatie van micro-leidingen (‘microducts’) en nieuwe bekabeling: POF, MMF of SMF

Optie 1

[4]

Installatie van POF op de vloer/in de wand

Optie 2

[4]

Optie 1

[4]

Optie 2 Optie 3 Optie 4

[4] [4] [4]

Optie 1

[4]

Optie 2 Optie 3 Optie 4

[4] [4] [4]

Installatie van micro-leidingen en nieuwe bekabeling: POF Bestaande netwerkinfrastructuur (vb. UTP) => geen upgrade nodig Gebruik van elektriciteitsnetwerk: PLC Gebruik van bestaand coax netwerk Bestaande (netwerk) infrastructuur is verouderd of ontoereikbaar => upgrade naar POF, MMF of SMF Bestaande netwerkinfrastructuur (vb. UTP) => geen upgrade nodig Gebruik van elektriciteitsnetwerk: PLC Gebruik van bestaand coax netwerk Bestaande (netwerk) infrastructuur is verouderd of ontoereikbaar => upgrade naar POF

Draadloos Femtocel, RoF of standaard base station Femtocel of standaard base station Femtocel, RoF of standaard base station Femtocel, RoF of standaard base station Femtocel, RoF of standaard base station

Femtocel of standaard base station Femtocel, RoF of standaard base station

Opmerkingen - SMF is moeilijk te installeren maar is meest toekomstvast - hybride configuraties zijn mogelijk Opake P2P configuraties kunnen ook met MMF of SMF gerealiseerd worden - Leidingen ingebouwd in de wanden - Leidingen laten upgrade toe - glasvezel is niet-galvanisch en kan probleemloos gecombineerd worden met koperen kabels - MMF is meer toekomstvast dan POF en kan worden geüpgraded

- POF laat een eenvoudige installatie toe (DIY) en kan gemakkelijk en quasi onzichtbaar worden geïnstalleerd - aangepaste POF-kabels voor vloerinstallatie

Indien de huidige infrastructuur voldoet aan de eisen, dringt een upgrade zich (nog) niet op Typisch wordt de MoCa standaard over coax aangeboden - SMF en MMF presteren beter dan POF, maar POF laat een eenvoudigere upgrade toe - installatiekosten SMF > MMF > POF

Femtocel of standaard base station Femtocel, RoF of standaard base station

- De originele leidingen laten een gemakkelijke upgrade toe - glasvezel kan probleemloos gecombineerd worden met koper - DIY aspecten van POF belangrijk bij bestaande gebouwen

Figuur 10: Syntheseschema kwalitatieve studie

25

2.3 Kwantitatief model 2.3.1 Inleiding In deze paragraaf breiden we de studie van inhouse netwerken uit met een kwantitatief of berekeningsmodel. We maken hiervoor een abstractie van de beschreven technologieën en configuraties in de literatuur. Dit model wordt dan in de volgende paragraaf aangewend om de verschillende mogelijkheden om een inhouse netwerk op te bouwen kwantitatief te vergelijken. Als afhankelijke variabele of beslissingsvariabele in de studie nemen we de totale kosten om het netwerk op te bouwen per aangesloten kamer of appartement. Op deze manier worden de kosten gelijk verdeeld over het aantal eindgebruikers, ongeacht de afstand tot aan de HCC. Dit is in overeenstemming met de praktijk om elke gebruiker van het netwerk eenzelfde tarief aan te rekenen, ongeacht de lokatie van zijn toegangspunt. 2.3.2 Beschrijving model Als basis voor de techno-economische studie maken we gebruik van een generiek referentiemodel. Verschillende factoren beïnvloeden de kost van het netwerk en worden als parameters in het model opgenomen. In wat volgt worden deze parameters en hun respectievelijke bereik kort besproken. Door aan deze parameters gericht waarden toe te kennen, kunnen verschillende scenario’s gedefinieerd en vergeleken worden. Lay-out gebouw Als referentiemodel geldt een gebouw met M verdiepingen, N kamers per verdieping met hoogte H en lengte L: Figuur 11. De kamers worden gemodelleerd als ruimtes met een vierkant grondoppervlak (vb. een kamer van 9 op 4 meter zou in het model als een kamer met lengte 6 meter worden opgenomen). Afhankelijk van de situatie heeft 'kamer' een verschillende betekenis. Bij éénsgezinswoningen (of zeer kleine appartementsblokken) is een kamer een leefruimte (woonkamer, slaapkamer...) . Bij appartementsblokken wordt één appartement of wooneenheid bedoeld. We maken de afspraak dat wanneer we te maken hebben met de situatie van éénsgezinswoningen, L een waarde van 5 meter aanneemt. Voor appartementsblokken veronderstellen we een lengte van 10 meter. Ondanks deze afspraak, zijn andere situaties dan 5 en 10 meter mogelijk. Om het model flexibel te maken, wordt L daarom als variabele parameter in het model opgenomen.

26

Figuur 11: Referentiemodel (uit [5] )

Het aantal bouwlagen en het aantal kamers per bouwlaag worden op 15 begrensd. De lengte van een kamer bedraagt minimaal 2 meter5 en kan oplopen tot 21 meter. De hoogte van een kamer wordt niet als variabele parameter gebruikt en wordt vastgesteld op 3 meter. Op basis van deze parameters kunnen we de gebouwen klasseren in drie sets of scenario’s: • Zeer kleine appartementsblokken of éénsgezinswoningen: M ≤ 3, N ≤ 4, L=5 • Kleine appartementsblokken: 3 < M ≤ 6, N ≤ 10, L=10 • Grote appartementsblokken: 6 < M ≤ 15, N ≤ 15, L=10 Aard gebouw Het gebouw kan zowel een nieuwbouw (greenfield) als een bestaand gebouw (brownfield) zijn. In het model is het verschil tussen beide scenario's de wijze waarop de leidingen geïnstalleerd worden. Inbouwen van leidingen vereist het uitschijven van sleuven, daarom nemen we aan dat een dergelijke installatiemethode enkel toelaatbaar is bij nieuwbouw. Bij bestaande gebouwen zijn opbouw leidingen de enige toegelaten optie. Netwerkconfiguratie In praktijk zijn er ontzettend veel mogelijkheden om een netwerk op te bouwen. Om een kostenvergelijking op een eenvoudige wijze uit te voeren, maken we een abstractie van alle netwerkconfiguraties. We beperken ons tot de drie basistopologieën: P2P, bus en tree.

5

4 m² wordt als praktische ondergrens voor de oppervlakte van een kamer aangenomen

27

Materiaal en type We beschouwen in eerste instantie draadgebonden netwerken en slechts in mindere mate draadloze netwerken. Draadloze lokale netwerken (WLAN) zijn in principe de eenvoudigste manier om een bepaald gebied te ontsluiten. Een draadloze oplossing is echter niet altijd aangewezen. Bij appartementen bijvoorbeeld kan omwille van veiligheidsredenen, interferentie met andere toestellen die van hetzelfde frequentiegebied gebruik maken, overlapping met naburige netwerken... voor een draadgebonden netwerk geopteerd worden. In deze studie zien we een draadloos netwerk dus eerder als complement met dan als substituut van een draadgebonden netwerk. Bij draadgebonden netwerken beperken we de materiaalkeuze uit Cat5e, Cat6, POF, SMF en MMF bekabeling. Om draadloze diensten aan te bieden maken we gebruik van de WiFi standaard. Bandbreedte We kunnen twee betekenissen aan het begrip bandbreedte toekennen. Enerzijds kan de bandbreedte wijzen op de capaciteit van het transmissiemedium (de kabel) zelf; het is dus als het ware een inherente producteigenschap. De bandbreedte wordt dan uitgedrukt in (Mega) Hertz (MHz). Daarnaast wordt ook de datasnelheid (of throughput) van het volledige systeem (dus transmissiemedium én switches, convertoren...) bandbreedte genoemd. We drukken de bandbreedte dan uit in de bitrate, bijvoorbeeld in Megabit per seconde (Mbps) of Gigabit per seconde (Gbps). Het is deze laatste interpretatie van bandbreedte die in de studie van belang is. De bandbreedte (van het volledige systeem, in Mbps) wordt in het model opgelegd als een randvoorwaarde. Een minimale (dedicated) bandbreedte moet per gebruiker voorzien worden. Deze minimale waarden worden in vier verschillende scenario’s bepaald op 10 Mbps, 30 Mbps, 100 Mbps en 250 Mbps. De verschillende technologieën kunnen de maximale bandbreedte slechts garanderen over een beperkte afstand vanaf de HCC. Indien die maximale afstand overschreden wordt kunnen extra actieve componenten (repeaters) toegevoegd worden om die maximale afstand te verhogen. De maximale afstand en bandbreedte vermeld in Tabel 5 zijn indicatieve waarden voor de huidige situatie. Glasvezeltechnologieën kunnen worden geüpgraded; door de actieve componenten te vervangen kan een veel hogere bandbreedte worden gerealiseerd. Voor POF bijvoorbeeld verwacht men tegen 2011 1 Gbps over 50 meter te kunnen aanbieden [4] . Voor SMF en MMF worden geen maximale afstanden vermeld; deze zijn immers in de grootteordes van een aantal kilometers waardoor de afstand in de praktijk voor inhouse installaties nooit een beperking vormt.

28

Tabel 5: Overzicht indicatieve capaciteit technologieën

Technologie Cat56 Cat6 POF MMF SMF WiFi7

Bandbreedte 100 Mbps 500 Mbps 100 Mbps 500 Mbps 1 Gbps 30 Mbps

Afstand 100 m 100 m 70 m / / 30 m

2.3.3 Kostcomponenten CapEx Capital Expenditures (CapEx) of investeringskosten omvatten alle kosten die nodig zijn om de netwerkinfrastructuur op te bouwen. Hoeveelheden De benodigde hoeveelheden van de verschillende netwerkcomponenten beschreven in 2.2.1 kunnen in functie van de lay-outparameters N, M, L en H geschreven worden. Uit Tabel 6 blijkt dat de lengte van de leidingen in elke configuratie gelijk is. Dit is in overeenstemming met de vaststelling dat welke configuratie er ook toegepast wordt, het netwerk elke ruimte vanuit de HCC moet bereiken. We nemen aan dat indien de kamers groter worden dan een bepaalde grens (Lmax), er nood is aan een extra toegangspunt. Per lengte Lmax neemt het aantal contactdozen, media convertoren, connectoren en benodigde hoeveelheid kabel respectievelijk toe. In deze studie werd Lmax op 5 meter bepaald: per oppervlakte van 25 vierkante meter is er nood aan één extra toegangspunt. Bij een draadloos netwerk wordt er beroep gedaan op een draadgebonden backhaul netwerk. Dit draadgebonden netwerk wordt gemodelleerd als een P2P netwerk: alle AP’s zijn P2P verbonden met de HCC. Eén AP kan een aantal kamers overbruggen; dit aantal is gelijk aan het bereik van een AP gedeeld door de lengte van één kamer. De parameters N en L krijgen in deze situatie dan een andere betekenis: N is het aantal AP’s per verdieping, L is de lengte van alle kamers samen die ontsloten worden met het AP.

6 7

In wat volgt wordt ‘Cat5e’ met de ‘Cat5’ aangeduid. De vermelde waarde voor WiFi is deze voor de 802.11g standaard uit Tabel 4.

29

Tabel 6: Overzicht hoeveelheden netwerkcomponenten

P2P

Cable length

Vertical ducts Horizontal ducts Connectors


. . 
 1 2 
. . 


. . 


. . 


. 

2.
. .

0

Switches / ports per switch

0

Media-convertors

Tree

  .   1 .

 2 
 . . . 
 1 2
. .

Hubs

Outlets

Bus


. .

  





2.
. .




. 

3.
. .


. .

  

0 




. .



  





2.
. .










. 
 1 2   
. . .   1 .

 2  .


. 


. . 

2.
. .

   1  0


/.  5 
. .

 

2.
. .





  1

Eenheidsprijzen De eenheidsprijzen van de diverse netwerkcomponenten zijn cruciaal voor het uitvoeren van de kostanalyse. We onderstrepen in deze context nogmaals dat de nadruk niet zozeer ligt op absolute kostenniveaus, maar veeleer op onderlinge kostenverschillen. Daarom zijn bij de eenheidsprijzen vooral de verhoudingen tussen de verschillende technologieën cruciaal. Veel eenheidsprijzen verschillen overigens sterk van leverancier tot leverancier, van regio tot regio... De prijs van koperen kabels (Cat5 en Cat6) is bijvoorbeeld onderhevig aan de op het moment geldende koperprijs. De vermelde eenheidsprijzen in Tabel 5 zijn indicatieve bruto-prijzen, gebaseerd op een rondvraag bij verschillende installateurs en fabrikanten [5] , [19] . Bij de analyse van glasvezelnetwerken is het aangewezen om rekening te houden met een te anticiperen prijsevolutie in de tijd. De productie van de glasvezelkabels zelf mag dan al matuur zijn (we verwachten met andere woorden geen sterke kostdaling in de toekomst), andere componenten noodzakelijk om een glasvezelnetwerk op te bouwen (zoals media convertoren en connectoren) hebben deze maturiteitsfase nog niet bereikt. In 2.4.2 gaan we verder in op deze zogeheten prijserosie.

30

Tabel 7: Overzicht eenheidsprijzen netwerkcomponenten

Cat5

Cat6

POF

MMF

SMF

Cable costs (€/m)

1,80

2,20

1,70

1,95

1,74

Connector Costs (€)

13,00

13,00

3,00

14,00

15,00

Hubs (€)

20,00

20,00

20,00

20,00

20,00

Switches (€/port)

10,00

10,00

10,00

10,00

10,00

Outlets (€)

9,50

11,40

22,00

22,00

22,00

Media-convertors (€)

/

/

30,00

40,00

70,00

De eenheidsprijzen (per meter) voor de installatie van de leidingen, de ducting kosten, zijn minder eenduidig te bepalen. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen ingebouwde leidingen en opgebouwde leidingen. Doorheen één leiding kan een beperkt aantal kabels getrokken worden. Dit aantal wordt bepaald door het type kabel (de dikte van de kabel) en de diameter van de gebruikte leiding. Tot een beperkt aantal kabels zal de installatiekost gelijk blijven. Eén extra kabel zal de installatiekost een stuk doen toenemen aangezien er grotere (en duurdere) leidingen moeten gebruikt moeten worden of omdat er meer installatiewerk aan te pas komt. Nadien blijft de installatiekost terug constant tot de capaciteit bereikt wordt, waarna de installatiekost terug een stuk toeneemt. De installatiekost in functie van het aantal te installeren kabels zal dus de vorm van een trappenfunctie aannemen (zoals in Figuur 12 wordt geïllustreerd). Ter vereenvoudiging kan de trappenfunctie benaderd worden via een rechte met behulp van regressietechnieken [5] . De resultaten zijn samengevat in Tabel 8, waarbij N het aantal kabels is dat door de leiding in kwestie getrokken moet worden.

31

Figuur 12: Leidingkost ifv. het aantal kabels door de ingebouwde leiding (uit [5] ) Tabel 8: Overzicht eenheidsprijzen leidingen (uit [5] )

Opbouw leidingen

Inbouw leidingen

Cat5 / Cat6

 7

3,6306

 3

4,631

7

1,9382  .

3

2,3935  .!"#!

SMF / MMF

  16

3,6306

 4

4,631

  16

3,22  0,0301 

 4

3,66  0,1636 

POF

  18

3,6306

  10

4,631

  18

3,33  0,0158 

  10

3,56  0,1058 

Uit de tabel kunnen we besluiten dat het installeren van opbouwleidingen goedkoper is dan inbouwleidingen. Het uitschijven van leidingen is ontegensprekelijk arbeidsintensiever dan het installeren van een opbouwleiding. De vermelde waarden bij POF zijn de eenheidsprijzen voor simplex8 POF kabels. Voor duplex POF kabels zijn de kosten gelijk aan deze voor simplex POF met twee maal zoveel kabels.

8

Duplex kabels hebben, in tegenstelling tot simplex kabels, twee kanalen en kunnen dus twee-richtingsverkeer dragen. In de praktijk worden enkel duplex POF kabels gebruikt voor inhouse netwerken [5] .

32

OpEx Operational Expenditures (OpEx) of operationele kosten zijn alle kosten die gerelateerd zijn aan het operationeel houden van het netwerk. De meest voor de handliggende vorm van OpEx is het energieverbruik van de actieve componenten. Daarnaast kunnen onderhouds- en herstellingskosten ook bij de operationele kosten gecatalogeerd worden. Bij een typisch inhouse netwerk echter verwachten we weinig of geen onderhoud en herstelling waardoor we ons in deze studie beperken tot energieverbruik. In Tabel 9 wordt de energieconsumptie van elke technologie weergegeven in functie van het energieverbruik van de actieve componenten9 uit Tabel 10. Tabel 9: Totale energieconsumptie per topologie (uit [5] )

P2P Bus Tree

2.
. . $%& 2.
. . $%&  3.
. . $'( 2.
.   1 . $%& 
.   1 . $'(

Tabel 10: Energieverbruik van de actieve netwerkcomponenten (uit [5] )

Component Media convertor Switch/hub (per outlet)

Cat5 / Cat6 / 0.3 W

POF 1.2 W 0.3 W

SMF 1W 0.3 W

MMF 1W 0.3 W

9

Het energieverbruik van de home gateway brengen we niet in rekening: we veronderstellen de home gateway immers niet als een onderdeel van het inhouse netwerk (2.2.1)

33

2.4 Kwantitatieve vergelijking 2.4.1 Inleiding In deze paragraaf gebruiken we het in paragraaf 2.3 opgestelde model om een kwantitatieve kwanti vergelijking uit te voeren tussen de verschillende mogelijkheden om een inhouse netwerk op te bouwen. De nadruk hierbij ligt op de onderlinge, onderlinge relatieve vergelijking van verschillende technologieën en niet zozeer op absolute kostenniveaus. Tenzij anders nders vermeld, veronderstellen we steeds impliciet dat we te maken hebben met een greenfield scenario. 2.4.2 Samenstelling en evolutie ev van de installatiekosten We onderzoeken de samenstelling van de totale kost. We zijn hierbij vooral geïnteresseerd in de relatieve eve bijdrage van de verschillende componenten tot de totale kost. Daarvoor definiëren we één specifiek scenario: we veronderstellen een woning met 3 verdiepingen, 4 aangesloten kamers per verdieping met een gemiddelde oppervlakte van 25 vierkante meter (L=5). Alle kamers zijn P2P verbonden met de HCC. Figuur 13 geeft een overzicht van de kostenkosten samenstelling voor verschillende technologieën.

Totale installatiekost

3500 3000 2500 media-convertor 2000

contactdoos

1500

connector

1000

leiding

500

kabel

0 Ethernet Ethernet Cat5 Cat6

POF

MMF

SMF

Figuur 13: Overzicht samenstelling installatiekost

Figuur 13 geeft duidelijk aan dat de glasvezeltechnologieën POF, SMF en MMF nog niet kostkost competitief zijn met de mature Cat-technologie. technologie. De figuur geeft verder ook aan dat de oorzaak van het grote kostverschil in belangrijke mate te wijten is aan de dure media convertoren.

34

Prijserosie In een niet-mature technologie, zoals de glasvezeltechnologie er één is, is het belangrijk om een prijsdaling van de actieve componenten te anticiperen. De kosten van de meeste componenten worden geacht te dalen na verloop van tijd door een vooruitgang in het productieproces of door de schaalvoordelen die gepaard gaan met produceren in een groter volume. Dit effect is het meest uitgesproken voor 'jongere' technologieën. De prijsdaling in de tijd kan gemodelleerd worden als een leercurve die de relatie vastlegt tussen de kost van het element en het aantal geproduceerde elementen [7]. Door het combineren van een dergelijke leercurve met een klantenadoptie curve [7] [17] kan een relatie bepaald worden tussen de kost van het element en de tijd in plaats van het aantal geproduceerde elementen. FGHI J

/ E 1 . D )* + , )* 0 . D # "56< .01 0 . 21  3 456768  9#:9; ∆> ?.@A BD C Waarbij - t = tijd vanaf het heden (in jaren) - )* + = prijs van de component op het tijdstip t - )* 0 = prijs van de component op het referentietijdstip - 01 0 = relatief geaccumuleerd volume op het referentietijdstip (geeft de maturiteit van de markt weer) - ∆T = tijd (in jaren) om het geaccumuleerd volume te laten toenemen van 10 tot 90 procent - K = leercurve coëfficiënt = 2.l - 1 - l = procentuele stijging in kost bij verdubbeling van het productievolume Uit [7] vinden we volgende parameters voor actieve optische componenten: 01 0 ∆T K

0.01 8 0.8

We veronderstellen dat enkel de media convertoren een prijsdaling zullen ervaren. Vermoedelijk zullen ook de andere componenten dalen in prijs naarmate de markt verder matuur wordt, maar zoals we reeds opmerkten vormen de media convertoren de grootste kostfactor. Een kostendaling in deze componenten heeft bijgevolg de grootste invloed. Bij gebrek aan verdere marktinformatie nemen we bovendien aan dat de prijzen vermeld in Tabel 7 de 35

Kostrpijs component (Euro)

prijzen zijn op het referentietijdstip 0 (()* 0 ). In Figuur 14 wordt de te verwachten prijs-erosie prijs uitgezet voor POF, F, SMF en MMF media convertoren. We zien dat de kostendaling het meest uitgesproken is voor SMF, de duurste technologie. Bovendien kunnen we uit Figuur 14 afleiden dat na een aantal jaar de kostendaling minder significant wordt: wordt: de prijzen stagneren. 80 70 60 50 40 30 20 10 0

POF SMF MMF 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tijd (jaren)

Figuur 14:: Geanticipeerde prijsevolutie voor media convertoren

Indien we uitgaan van de voorspelde prijserosie voor media convertoren en veronderstellen dat de prijs van de overige componenten stabiel10 blijft, bekomen we in Figuur 15 de samenstelling van de installatiekost voor verschillende verschillende technologieën na 5 jaar. We merken dat in deze omstandigheden de POF kost competitief wordt met de koperen technologieën en dat de relatieve verschillen met SMF en MMF kleiner zijn geworden. geworden

Totale installatiekost

3500 3000 2500 media-convertor 2000

contactdoos

1500

connector

1000

leiding

500

kabel

0 Ethernet Ethernet Cat5 Cat6

POF

MMF

SMF

Figuur 15: Samenstelling installatiekost na 5 jaar 10

Vermoedelijk zal de prijs van deze componenten eveneens dalen; indien deze prijsdaling echter voor alle componenten mponenten gelijkaardig is, wijzigt er niets aan het besluit.

36

Duct sharing Bij glasvezelnetwerken kunnen we naast een daling in de kost van convertoren ook nog een reductie in kabelkosten bekomen door de optische netwerken samen met de elektriciteitsleidingen uit te rollen. Deze mogelijkheid bestaat niet bij koperen netwerken daar bij dergelijke netwerken elektromagnetische interferentie verschijnselen (EMI) ontstaan. Indien we dit principe van duct sharing toepassen wordt de helft van de ducting kosten toegerekend aan het elektriciteitsnetwerk waardoor de relatieve kosten van glasvezelnetwerken dalen. In sectie 2.4.5 komen we nog terug op deze mogelijkheid. 2.4.3 Invloed lay-out Invloed aantal verdiepingen Om de invloed van het aantal verdiepingen (M) na te gaan laten we deze parameter variëren in zijn range (van 1 tot 15). De overige lay-out parameters worden gefixeerd: 4 aangesloten kamers per verdieping met een gemiddelde oppervlakte van 25 vierkante meter. Figuur 16 geeft per technologie en per configuratie de respectievelijke kostencurve. 350

300

Kost per kamer (Euro)

250

200

150

100

50

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Aantal verdiepingen (M)

Figuur 16: Invloed van het aantal verdiepingen op de kost per kamer

37

Totale kost per kamer (Euro)

Figuur 16 illustreert opnieuw duidelijk dat een glasvezelnetwerk nog niet kost competitief is met koperen netwerken: de curves van POF, MMF en SMF liggen systematisch boven de curves van Cat5 en Cat6. Om de invloed van de configuratie duidelijk te illustreren, weerhouden we in Figuur 17 de curves voor Cat5. Voor de overige technologieën is het verloop van de curves gelijkaardig. 200 160 120

P2P Bus

80

Tree

40

WiFi 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Aantal verdiepingen (M) Figuur 17: Kostencurves voor Cat5 ifv. M

We zien dat initieel de kost per aangesloten kamer daalt: de totale kosten stijgen initieel minder snel dan dat het aantal gebruikers toeneemt. Nadien nemen de kosten gestaag toe aangezien de kabelkosten het overwicht nemen. De kosten voor een P2P configuratie stijgen het snelst: bij deze configuratie is immers het meeste (dure) bekabeling en leiding nodig naarmate het aantal verdiepingen toeneemt. De curves voor bus en tree hebben een gelijkaardig verloop (bij Cat5 vallen de curves zelfs nagenoeg samen). Zoals reeds werd aangegeven beschouwen we in dit onderzoek draadloze netwerken als complement met een draadgebonden netwerk. We veronderstellen dat draadloze netwerken (nog) te beperkt zijn om breedband aan te bieden en dus enkel als uitbreiding worden toegepast. Ter volledigheid wordt het verloop van de kosten bij een draadloos netwerk (WiFi over koper) weerhouden in Figuur 17. We merken dat de kosten voor WiFi een zaagtand-vormig verloop kent. Eén draadloos AP kan een aantal kamers ontsluiten. Bij het maximale aantal kamers dat door één AP kan worden ontsloten, worden de kosten maximaal gespreid; één extra kamer doet de kosten per kamer terug toenemen omdat een extra AP nodig is. We kunnen voor elke technologie de optimale curve afleiden door een projectie te maken van de configuratie die aanleiding geeft tot de laagste kost per aangesloten kamer. In Figuur 18 worden deze optimale kostencurves weergegeven. We zien dat P2P aangeduid wordt als de optimale configuratie in laagbouw, terwijl een busconfiguratie optimaal is bij hoogbouw.

38

Kost per kamer (Euro)

350 300

SMF

250

MMF

200

POF Cat6

150

P2P Bus

100

Cat5

50 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

Aantal verdiepingen (M)

Figuur 18: Optimale configuratie per technologie ifv. M

Kost per kamer (Euro)

We kunnen de berekeningen herhalen voor appartementsblokken door de waarde van L op 10 te fixeren. Uit Figuur 19 kunnen we afleiden dat bus als optimale draadgebonden technologie wordt aangeduid. Het grote kostenvoordeel ten opzichte van P2P en tree is bijna volledig toe te schrijven aan de extra kabel kosten. Per kamer zijn er nu immers twee oulets, en is er dus bijna twee maal zoveel horizontale bekabeling nodig (Tabel 7). 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

P2P Bus Tree WiFi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Aantal verdiepingen (M) Figuur 19: Kostencurves voor Cat ifv. M bij appartementsblokken

39

Invloed lengte kamer Voor een gebouw van 3 verdiepingen (M) en 4 aangesloten kamers per verdieping (N) laten we de gemiddelde lengte van de kamer (L) variëren van 2 tot 21 meter. De betekenis van het woord ‘kamer’ verandert uiteraard naarmate de lengte toeneemt. Figuur 20 geeft per technologie de kostencurve weer. We hebben enkel de kostencurves voor Cat5 weerhouden (het verloop voor de overige technologieën is gelijkaardig). 800

Kost per kamer (Euro)

700 600 500 P2P

400

Bus

300

Tree 200

WiFi

100 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Gemiddelde lengte aangesloten kamer (L)

Figuur 20: Invloed van de lengte per kamer op de totale kost per kamer

De curves in Figuur 20 nemen een trapvorm aan: per 5 meter lengte is er één outlet per kamer extra nodig en dus ook meer kabel, meer connectoren... (zie Tabel 6). De kost neemt dus per 5 meter meer dan evenredig toe. In de WiFi-curve merken we een sterke sprong bij 15 meter lengte. Eén WiFi AP kan 30 meter overbruggen. Indien de lengte van de kamer kleiner blijft dan 15 meter, kan één AP twee kamers bedienen. Indien de lengte van de kamer echter 15 meter of meer wordt, heeft elke kamer zijn eigen AP nodig. In de praktijk is deze grens uiteraard niet zo scherp. Per technologie kunnen we opnieuw de optimale curve uitzetten zoals in Figuur 21 werd gedaan. Indien de gemiddelde lengte per kamer minder dan 5 meter bedraagt is P2P de optimale configuratie, vanaf 5 meter gemiddelde lengte (dus vanaf er meer dan één outlet per kamer nodig is) is een bus configuratie optimaal.

40

800

MMF SMF

Kost per kamer (Euro)

700 600

POF Cat6 Cat5

500 400

P2P

300

Bus

200 100 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Gemiddelde lengte aangesloten kamer (L)

Figuur 21: Optimale configuratie per technologie ifv. L

Invloed aantal kamers per verdieping De invloed van het aantal kamers per verdieping (N) gaan we na door deze parameter te laten variëren in zijn range (van 1 tot 15). De overige lay-out parameters blijven constant: 3 verdiepingen (M) en kamers met een gemiddelde lengte (L) van 5 meter. De kostencurves voor Cat5 worden weergegeven in Figuur 22, de overige technologieën hebben een gelijkaardige kostencurve.

Kost per kamer (Euro)

200 160 120

P2P Bus

80

Tree

40

WiFi 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Aantal kamers per verdieping (N)

Figuur 22: Kostencurves voor Cat5 ifv. N

We zien dat de kosten per kamer opnieuw initieel afnemen naarmate N stijgt. De hoeveelheid verticale bekabeling blijft constant (d.i. dus een vaste kost) en kan over meer eindgebruikers 41

worden gedeeld. Naarmate N verder stijgt, neemt het aandeel van de horizontale bekabeling toe voor de P2P en tree configuratie en stijgt de kost per aangesloten kamer. Bij busconfiguratie bedraagt de incrementele kost per kamers slechts een stuk kabel tot aan de vorige kamer, om die reden heeft de bus-curve een constant dalend verloop. Per technologie kunnen we weer de optimale curve uitzetten. Uit Figuur 23 kunnen we opmaken dat naarmate het aantal kamers per verdieping toeneemt, de optimale curve overgaat van P2P naar bus.

Kost per kamer (Euro)

350 300

SMF

250

MMF 200

POF Cat6

150

P2P Bus

100

Cat5

50 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

Aantal kamers per verdieping (N)

Figuur 23: Optimale configuratie per technologie ifv. N

Kost per kamer (Euro)

We kunnen opnieuw de berekeningen herhalen voor appartementsblokken (L=10). Zoals uit Figuur 24 blijkt is een busconfiguratie de optimale draadgebonden technologie over het volledige bereik van N. 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

P2P Bus Tree WiFi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Aantal kamers per verdieping (N) Figuur 24: Kostencurves voor Cat5 ifv. N bij appartementsblokken

42

2.4.4 Invloed bandbreedte Tot hiertoe werden de optimale technologie en configuratie louter bepaald op basis van de kost: de goedkoopste technologie en configuratie werd als optimaal beschouwd zonder rekening te houden met de prestaties of praktische implicaties ervan. Een busconfiguratie werd bijvoorbeeld als optimaal bestempeld in grote gebouwen terwijl dit toch praktische beperkingen met zich meebrengt in appartementsblokken.

200

100

160

80

kost 120

60

bus

P2P

80

40

BW

40

20

0

0 1

2

3

4

5

6

7

8

Dedicated BW per gebruiker (Mbps)

Kost per kamer (Euro)

De meest voor de handliggende randvoorwaarde die wordt opgelegd aan het netwerk is een bandbreedte die minimaal aan de eindgebruiker geleverd moet worden. Bij P2P configuraties heeft de bandbreedte-eis geen impact: de volledige capaciteit van de verbinding staat ter beschikking van de eindgebruiker. Bij shared media configuraties (bus en tree) wordt de bandbreedte verdeeld over het aantal eindgebruikers. De beschikbare bandbreedte bij bus en tree configuraties hangt dus af van de drukte (aantal gebruikers op de bus/tree) van het moment. We gaan uit van worst case: de beschikbare bandbreedte is bij shared media gelijk aan de capaciteit van de feeder (bij tree configuraties) of de capaciteit van de bus gedeeld door het aantal eindgebruikers. In Figuur 25 wordt het verloop van de bandbreedte uitgezet voor de optimale kostencurve (in functie van het aantal eindgebruikers) bij ethernet Cat5. De bandbreedte-curve wordt in drie zones verdeeld: een ‘veilige’ zone waarbij de minimaal vereiste bandbreedte probleemloos kan worden afgeleverd; een ‘gevaarlijke’ zone waarbij de geleverde bandbreedte zijn opgelegde eis nadert en een zone waarbij de vereiste bandbreedte nooit kan worden afgeleverd. Indien de minimaal vereiste bandbreedte per eindgebruiker 10 Mbps bedraagt, zien we dat we vanaf 10 aangesloten kamers per verdieping niet langer in staat zijn om aan deze randvoorwaarde te voldoen.

9 10 11 12 13 14 15

Aantal kamers per verdieping (M) BW ok

BW gevaar

BW niet ok

Figuur 25: Verloop van de bandbreedte bij Cat5

43

Door de bandbreedte als randvoorwaarde in het model in te brengen kunnen we de optimale curves van Figuur 23 hertekenen. Deze aangepaste optimale curve wordt in Figuur 26 weergegeven.

Kost per kamer (Euro)

200 160 120 P2P

80

Bus

40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Aantal kamers per verdieping (N)

Figuur 26: Optimale kostencurves Cat5 mét bandbreedte-eis

Indien meer dan 10 Mbps geëist wordt, schieten de shared media configuraties op dit moment tekort bij Cat5 en POF. Bij POF kan zoals reeds eerder opgemerkt een upgrade van de actieve componenten ervoor zorgen dat hogere bandbreedtes dan 100 Mbps voorzien kunnen worden.

Kost per kamer (Euro)

200 160

kost 120

bus

P2P

80

BW

40 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Dedicated BW per gebruiker (Mbps)

Een veel belovende technologie wat bandbreedte betreft is Cat6. Met Cat6 kan meer dan 30 Mbps dedicated voorzien tot 15 aangesloten kamers per verdieping.

Aantal kamers per verdieping (M)

Figuur 27: Verloop van de bandbreedte bij Cat6

44

Kost per kamer (Euro)

Indien 100 Mbps of meer per eindgebruiker moet worden aangeboden schieten Cat5 en POF op dit moment te kort. Met Cat6, SMF en MMF kan die bandbreedte-eis wel gehaald worden. Door de relatief lage kost (ten opzichte van SMF en MMF), lijkt Cat6 als optimale technologie naar voren te worden geschoven. Indien echter zoals verwacht [1] de bandbreedte-eis in de nabije toekomst waarden van 1Gbps en meer gaat aannemen, lijkt ook Cat6 tekort te schieten. Met glasvezel technologieën kunnen wel toekomstvaste inhouse netwerken worden opgebouwd. Temeer omdat de throughput die de technologieën kunnen leveren verhoogd kan worden door een upgrade in de actieve componenten. Een regelmatig toegepaste praktijk in grotere gebouwen (grote appartementsblokken) bestaat erin om het dure SMF naar elke verdieping te voorzien. Vanaf daar kan elke ruimte op dat verdiep (in tree of in bus) verbonden worden door middel van een goedkoper medium (POF, Cat6...) met de switch. Op die manier ontstaat als het ware een hybride netwerk. Figuur 28 illustreert deze hybride architectuurvorm ten opzichte van de zuivere SMF configuraties11. 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

SMF+POF - bus SMF+POF - tree SMF - bus SMF - tree

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 Aantal kamers per verdieping (N)

Figuur 28: Hybride configuratie bij grote gebouwen

De optimale configuratie blijkt ook nu terug bus te zijn. De hybride vormen zijn bovendien goedkoper dan de zuivere SMF configuraties. Indien de bandbreedte-eis het toelaat en/of indien het aantal kamers per verdieping (d.i. het aantal gebruikers van de bus) niet te hoog is, kan deze oplossing toereikend zijn. Figuur 29 geeft het verloop van de bandbreedte weer. Indien de bandbreedte-eis 30 Mbps of minder bedraagt, is de busconfiguratie over het volledige verloop toereikend. Indien 100 Mbps of 250 Mbps geëist wordt, is de busconfiguratie niet meer toereikend vanaf 10, respectievelijk 4, kamers per verdieping. Een oplossing kan dan zijn om over te schakelen op een P2P configuratie. Uiteraard kan een upgrade ook soelaas bieden. 11

Zuivere POF configuraties werden niet weerhouden omdat POF (op dit moment) niet toereikend is om hoge bandbreedtes aan te bieden.

45

1000 800 600 400 200 0

Dedicated BW per gebruiker Mbps)

Kost per kamer (Euro)

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Aantal kamers per verdieping (N) SMF+POF - bus

Bandbreedte

Figuur 29: Verloop bandbreedte bij optimale hybride configuratie

2.4.5 Renovaties Tot nog toe hebben we steeds impliciet verondersteld dat we te maken hebben met een greenfield scenario. In een dergelijke situatie kan een netwerkinfrastructuur zonder enige installatiebeperking worden geïnstalleerd. Een meer en meer (en in de toekomst vermoedelijk nog meer) voorkomend scenario is renovatie of brownfield scenario. Aangezien meer en meer mensen een bestaande woning opkopen en renoveren mag een evaluatie van brownfield zeker niet ontbreken in deze studie. In sommige gevallen kan een bestaande infrastructuur in het gebouw aangewend worden om een telecommunicatienetwerk op te bouwen. We denken hierbij aan het elektriciteits- of coax netwerk om de PLC techniek aan te bieden of aan een reeds bestaand telefoon- en telecommunicatie-netwerk. Indien het aanwezige netwerk niet elke ruimte bereikt kan een draadloos netwerk geïnstalleerd worden om een aantal ruimtes te ontsluiten. We nemen echter aan dat om breedband te kunnen aanbieden geen van bovenstaande opties toereikend is; er moet met andere woorden een volledig nieuw netwerk worden uitgerold. We nemen aan dat we bij brownfield de breedband infrastructuur op twee manieren kunnen installeren: •

On-the-wall-ducts: in tegenstelling tot bij greenfield worden de leidingen niet in de muren ingebouwd. De leidingen kunnen uitgerold worden in opbouwgoten. Bij POF kunnen de kabels zelfs zonder leidinggoot worden uitgerold: POF kan eenvoudigweg op de vloer, op of onder de plint worden geïnstalleerd. Het spreekt voor zich dat een dergelijke installatiewijze een stuk minder arbeidsintensief (en dus een stuk goedkoper) is dan wanneer de goten ingebouwd worden. Wel dienen we op te merken dat deze 46

•

installatiewijze kwetsbaarder is voor directe mechanische beschadiging (bv. door huisdieren). Duct sharing: in sommige gevallen kunnen we in de bestaande leidinginfrastructuur (elektriciteits- of coaxnetwerk) kabels bijtrekken. Voor koperen kabels (Cat5/Cat6) is deze optie uitgesloten omwille van de interferentie-verschijnselen die zouden ontstaan met de aanwezige koperen kabels (EMI). Indien de leidinginfrastructuur het toelaat kan het bestaande telecommunicatienetwerk verwijderd en vervangen worden door een breedband infrastructuur. Voor glasvezelkabels is duct sharing met koperen kabels wel mogelijk.

Bij bestaande gebouwen kan er, uit praktische en esthetische overwegingen, geopteerd worden om de leidingen toch in de muren in te bouwen. In dat geval is de situatie nagenoeg (afhankelijk van parallel uitgevoerde werken) kosten-equivalent aan een greenfield scenario. In ons model nemen we dus aan dat er bij brownfield enkel met opbouwgoten of duct sharing wordt gewerkt. De kostencurves in functie van het aantal kamers per verdiepingen voor bronwfield ten opzichte van deze voor greenfield worden weergegeven in Figuur 30. Teneinde het overzicht te bewaren werden de curves enkel getekend voor Cat5; het verloop van de curves bij de overige technologieën is gelijkaardig.

Kost per kamer (Euro)

200

160 Brownfield P2P

120

Brownfield Bus Brownfield Tree

80

Greenfield P2P Greenfield Bus

40

Greenfield Tree 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Aantal kamers per verdieping (N)

Figuur 30: Greenfield vs. Brownfield bij Cat5

De curves in greenfield en brownfield kennen een gelijkaardig verloop: de optimale configuratie gaat over van P2P naar bus. De brownfield curves liggen telkens onder de greenfield equivalent gezien de lagere installatiekosten van opbouwleidingen. De overgang naar bus vindt bij 47

brownfield wel plaats bij een hoger aantal kamers; de kosten voor de leidingen zijn nu immers lager en wegen dus minder zwaar door. Bij P2P en tree configuraties en in grote gebouwen is dit kostenvoordeel van opbouwleidingen het meest uitgesproken. In deze situaties is de benodigde hoeveelheid kabel en leidingen immers intrinsiek het hoogst en komt het verschil in installatiekost dus het meest tot uiting. Het totaal aantal meter leiding in P2P, tree en bus is wel gelijk maar het grote verschil ligt in de eenheidskost: bij P2P en tree moeten veel meer kabels door één duct getrokken worden dan bij bus. Om die reden nemen de eenheidskosten gedefinieerd in Tabel 8 snel toe. Bij hogere gebouwen is om eenzelfde redenering het kostenverschil meer uitgesproken. Bij glasvezel bekabeling kan bovendien duct sharing toegepast worden. We nemen aan dat duct sharing enkel praktisch mogelijk is bij busconfiguraties: in dat geval is de hoeveelheid reeds aanwezige bekabeling beperkt. Er is dus nog ruimte voor extra bekabeling, in tegenstelling tot het geval waarbij men kabels in een P2P netwerk zou willen bijtrekken. Door duct sharing toe te passen, kunnen de ducting kosten, en bijgevolg de volledige installatiekosten, aanzienlijk verlaagd worden. We kennen arbitrair de helft van de installatiekost (ducting kost) toe aan het telecommunicatienetwerk en de andere helft aan het elektriciteitsnetwerk. Figuur 31 illustreert dat de installatiekost per kamer substantieel lager ligt indien POF en elektriciteit samen worden uitgerold.

Kost per kamer (Euro)

200 160 120 80 40 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

Aantal verdiepingen (M) POF en elektriciteit apart

POF en elektriciteit samen

Figuur 31: Invloed duct sharing

48

2.4.6 OpEx aspecten Tot nog toe werden enkel de installatiekosten of CapEx expliciet beschouwd. Daarnaast zijn er ook kosten (OpEx) pEx) verbonden aan de continue werking van het netwerk. De OpEx die wij in beschouwing hebben genomen zijn de kosten voor het energieverbruik van de actieve componenten (hubs, switches en media convertoren). Figuur 32 geeft de verhouding houding weer tussen de CapEx en OpEx (gerekend over 10 jaar, jaar ter vereenvoudiging niet gedisconteerd) gedisconteerd) voor een POF netwerk in een busconfiguratie. Indien we veronderstellen dat energiekost de enige OpEx is, zien we dat de OpEx slechts in een beperkte mate bijdragen ijdragen aan de totale kost van het netwerk. Een en optimalisatie van de CapEx verschilt dus weinig of niets van een optimalisatie van de totale kosten. OpEx 7%

CapEx 93% Figuur 32: CapEx - OpEx verhouding voor POF netwerk

Jaarlijks energieverbruik (W)

In Figuur 33 wordt het jaarlijkse jaarlijkse energieverbruik van de verschillende configuraties en technologieën ten opzichte van elkaar uitgezet voor een gebouw van drie verdiepingen, vier kamers per verdieping van 5 meter lengte. Naarmate Naarmate er meer actieve componenten comp voorkomen, ligt het energieverbruik hoger. Bij koperen netwerken zijn er geen media convertoren en bij P2P zijn er geen hubs en switches waardoor het energieverbruik in deze situaties heel laag is. We merken nog eens op dat het energieverbruik van de HCC of de terminals niet werd beschouwd. 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Figuur 33: Jaarlijks energieverbruik in kleine gebouwen

49

2.5 Synthese Ter afronding van dit hoofdstuk worden de belangrijkste bevindingen samengevat. Om een indoor netwerk uit te rollen moeten in essentie twee keuzes worden gemaakt: technologie en configuratie. De keuze voor de installatiewijze wordt meestal ingegeven door de specifieke omstandigheden. 2.5.1 Technologie Glasvezel technologieën zijn op dit moment nog niet kostcompetitief met de bestaande koper technologieën. De grootste kosten bij glasvezel netwerken zijn de media convertoren. Echter, door een quasi ongelimiteerde toename van het aantal netwerkdiensten en bijhorende eisen (dedicated bandbreedtes van meer dan 1 Gbps) lijken de koper toepassingen PLC, coax, Cat5... geen lang bestaan meer beschoren. Deze technologieën hebben min of meer de grens van hun capaciteit bereikt waardoor deze in de nabije toekomst achterhaald zullen zijn. Cat6 lijkt op korte en middellange termijn soelaas te bieden maar om een volledig toekomstgericht netwerk op te bouwen lijkt het medium glasvezel de aangewezen oplossing. In deze studie hebben we 3 soorten glasvezel toegelicht: SMF, MMF en POF. Qua prestaties (throughput of bandbreedte) is de single mode glasvezel SMF ongeëvenaard. De installatie ervan vereist echter dure en gespecialiseerde arbeid. De indoor toepassingen van SMF zijn om die reden beperkt. Multimode glasvezel MMF heeft een grotere diameter en is goedkoper in installatie. POF heeft de grootste diameter en is nog gemakkelijker, zelfs door nietprofessionelen te installeren: we spreken van het DIY van POF. Een glasvezelnetwerk uitrollen vertoont twee expliciete voordelen ten opzichte van koper: -

-

Glasvezelnetwerken kunnen op een eenvoudige manier worden geüpgraded in tegenstelling tot koperen netwerken waarbij de volledige bekabeling vervangen dient te worden: het vervangen van de actieve componenten (switches, hubs...) door next generation componenten kan de throughput aanzienlijk verhogen ( 1Gbps en meer). Glasvezel vertoont geen EMI met koper; glasvezelbekabeling kan dus samen uitgerold worden met koperen kabels (vb. elektriciteitskabels) waardoor de installatiekosten gedrukt kunnen worden.

Een voor de hand liggend bezwaar om glasvezelnetwerken vandaag niet op grote schaal binnenshuis uit te rollen is de hoge kost. De technologie is echter nog in volle ontwikkeling. Naarmate de markt meer matuur wordt, zal de kost van de actieve componenten (media convertoren) dalen. Voor kopernetwerk componenten verwachten we geen (significante) daling in kost.

50

Door deze voordelen van dalende installatiekost en lagere upgrade kost in rekening te brengen, kunnen we besluiten dat de glasvezelwerken, POF netwerken in het bijzonder, in de nabije toekomst kost competitief zullen zijn met Cat netwerken. Draadloze netwerken werden beschouwd als complementaire netwerksegmenten om te voorzien in de mobiliteitsbehoefte. De facto werd WiFi als standaard aangenomen. 2.5.2 Configuratie Voor kleinere gebouwen (minder dan 4 verdiepingen) is P2P de goedkoopste configuratie. De kostverschillen met de andere configuraties zijn echter beperkt. Bij P2P zijn er geen dure actieve componenten (switches en hubs) nodig aangezien elke terminal rechtstreeks is verbonden met de HCC. Elke terminal heeft dus de volledige bandbreedte van het medium ter beschikking. Bij grotere gebouwen is een bus topologie de optimale configuratie. De vaste kosten voor de dure actieve componenten kunnen over een groot aantal afnemers worden gedeeld en de configuratie bespaart verder ook op bekabeling (kabel- én leidingkosten). In grote gebouwen zijn er wel nadelen verbonden aan een bus-configuratie: de bandbreedte wordt gedeeld over het aantal afnemers. Indien een strenge (d.i. een hoge) bandbreedte-eis wordt opgelegd schiet een bus-configuratie vlug te kort. In dat geval kan P2P of een hybride configuratie een oplossing bieden. Een vaak voorkomend voorbeeld van een hybride netwerk is waarbij SMF tot op elke verdieping wordt uitgerold, vanaf daar wordt elke terminal P2P verbonden. 2.5.3 Installatiewijze De wijze waarop de leidingen worden geïnstalleerd hangt vrijwel uitsluitend af van de aard van het gebouw. Bij nieuwbouw wordt nagenoeg enkel voor inbouw leidingen geopteerd, terwijl bij renovaties opbouw leidingen meestal worden toegepast. Bij renovaties bestaat er ook de mogelijkheid om gebruik te maken van een bestaande infrastructuur (elektriciteit- of coaxnetwerk) om een telecommunicatienetwerk op te bouwen. Deze laatste optie is uiteraard enkel mogelijk indien de infrastructuur toereikend is en indien aan de bandbreedte-eis kan voldaan worden. De drie te maken keuzes worden in het stroomschema van Figuur 34 weergegeven. We stellen vast dat de algemene besluiten van de kwantitatieve studie de bevindingen in kwalitatieve studie ondersteunen.

51

2.5.4 Schema

Figuur 34: Synthese schema voor optimale indoornetwerk technologie

52

Hoofdstuk 3.

Onderhoud in een synergetisch toegangsnetwerk

“Synergy - the bonus that is achieved when things work together harmoniously.” Mark Twain

3.1 Inleiding Om een kostenoptimalisatie door te voeren is het noodzakelijk om een goed beeld te scheppen van de kostenstructuur van een netwerkoperator. In het inleidend hoofdstuk merkten we reeds op dat we de totale kosten kunnen indelen in operationele kosten of OpEx en investeringskosten of CapEx. De OpEx zijn de kosten gekoppeld aan de processen die het respectievelijke netwerk operationeel houden. Globaal gezien kunnen we de operationele kosten in drie grote categorieën indelen [23] : • • •

Operationele kosten gekoppeld aan het operationeel houden van het netwerk Operationele kosten gekoppeld aan het opstarten van het netwerk (netwerkplanning) Andere, niet-infrastructuur specifieke operationele kosten (administratie)

Deze onderverdeling wordt schematisch geïllustreerd in Figuur 35. In deze studie focussen we ons op de eerste categorie OpEx. De tweede groep OpEx lijkt op het eerste zicht minder vanzelfsprekend. Bij het opzetten van een netwerk is alle equipment inderdaad CapEx, maar het proces rond het opzetten is te klasseren als OpEx. Het gaat hierbij om de planning tot het opzetten van een nieuw netwerk en de manuren bij de installatie van dat netwerk. De laatste groep omvat OpEx die niet specifiek voor een netwerkoperator zijn, maar voorkomen in eender welk bedrijf. Dit gaat onder meer om administratie die niet met het netwerk zelf te maken heeft. 53

Figuur 35: Onderverdeling van OpEx (uit [20] )

Zoals ook uit Figuur 35 valt op te maken, kan de eerste categorie OpEx voor telecom netwerken op zijn beurt verder ingedeeld worden in zeven verschillende subcategorieën die onderling gerelateerd zijn. Deze relaties vertalen zich in het feit dat output van het ene operationeel proces als input dient voor een ander proces. Figuur 36 illustreert de relaties tussen de zeven operationele processen in een telecommunicatienetwerk.

Figuur 36: Activiteitsgebaseerd OpEx model (uit [23] )

54

Het operationeel proces dat we aan verder onderzoek onderwerpen is het herstellingsproces (repair process). Zoals vermeld in de inleiding beogen we een optimalisatie van de operationele kosten. Om deze optimalisatie te realiseren onderzoeken we of we kunnen profiteren van synergetische effecten met andere infrastructuren. De vermelde operationele processen komen immers niet uitsluitend voor in telecommunicatie netwerken; ook in aardgas-, water- en elektriciteitsnetwerken vinden we de operationele processen van Figuur 36 tot op zekere hoogte terug. Dit hoofdstuk is opnieuw opgebouwd uit een kwalitatieve en een kwantitatieve studie. In de kwalitatieve studie wordt vertrokken van het herstellingsproces zoals we het kennen uit telecommunicatienetwerken. Met dit proces als uitgangspunt onderzoeken we per processtap welke mogelijkheden tot samenwerking er zijn met de andere infrastructuren. De kwalitatieve studie wordt afgerond met een generiek model voor het herstellingsproces. In de kwantitatieve studie wordt het opgestelde model omgezet in een simulatiemodel waarmee we de synergetische effecten (dit zijn de kostenbesparingen) kunnen kwantificeren bij verschillende scenario’s in een realistische case. Als synthese bij dit hoofdstuk worden de aandachtspunten en adviezen om tot een operationele samenwerking tussen infrastructuurproviders te komen expliciet samengevat.

55

3.2 Kwalitatieve studie van het herstellingsproces 3.2.1 Telecom-specifiek herstellingsproces Het herstellingsproces geldt als één van de belangrijkste operationele processen van een netwerkbeheerder. Het is dit proces dat zo vlug mogelijk fouten moet herstellen om vooropgestelde afspraken met klanten (de zogeheten Service Level Agreements of SLA’s [12]) na te leven [10] . Figuur 37 geeft het in de literatuur beschikbare herstellingsproces uit telecomnetwerken weer.

Figuur 37: Herstellingsproces in telecomnetwerken (uit [23] )

Uit Figuur 37 blijkt dat het herstellingsproces twee inputkanalen heeft: enerzijds worden fouten gerapporteerd via de klant of de veroorzaker van de fout via de helpdesk, anderzijds zorgt het routine operation process, dat het netwerk voortdurend monitort, voor een rapportering van de fouten. De gemelde of gedetecteerde fouten vormen een trigger voor het eigenlijke herstelproces. Bij telecomnetwerken kunnen verschillende soorten fouten worden onderscheiden: naast kabelbreuken komen ook vaak software fouten, externe fouten (stroompannes e.d.), fouten in de klantinstallatie (cfr. Hoofdstuk 2)... voor. We beperken ons in deze studie echter tot 56

kabelbreuken: dit type fouten komt in tegenstelling tot de overige categorieën ook voor bij andere infrastructuren en blijkt volgens sommige bronnen [12] tevens het vaakst voorkomende type fout bij telecomnetwerken. Het model uit Figuur 37 wordt als uitgangspunt gebruikt om een generiek model op te stellen. Om een generiek model op een eenvoudige wijze op te bouwen en het simulatiemodel verderop in deze studie niet nodeloos complex te maken, reduceren we het aantal blokken in het proces door abstractie te maken van een aantal processtappen. Dit vereenvoudigde proces is weergegeven in Figuur 38.

Figuur 38: Vereenvoudigd herstelproces

De verschillende processtappen worden door verschillende teams uitgevoerd: • • •

Helpdesk: het helpdesk personeel staat in voor de administratie en het afhandelen van de klantenoproepen. NOC: in het Network Operations Center worden de centrale herstellingsprocessen uitgevoerd en wordt het netwerk constant (van op afstand) gemonitord. Technische ploeg: dit team staat in voor de eigenlijke herstelling van de fout.

De recovery of herrouteringsstap werd uit het vereenvoudigde proces weggelaten. Bij telecomnetwerken wordt vaak bescherming in het netwerk ingebouwd. Bij fouten tracht men het probleem voor de klant zo snel mogelijk te verhelpen door een nieuw pad op te zetten. Afhankelijk van het type protectie (one-to-one of shared path) zal de onbeschikbaarheid van het netwerk een stuk lager zijn dan bij een onbeschermd netwerk. Aangezien niet alle infrastructuren (bv. water en aardgas) over een dergelijke ingebouwde bescherming

57

beschikken, zijn we in deze studie uitgegaan van een unprotected of onbeschermd toegangsnetwerk. De overige processtappen worden in wat volgt kort toegelicht. Ontstaan van fouten Velerlei accidentele situaties geven aanleiding tot een breuk in nutsnetwerken. De meest voorkomende oorzaak is kabelbreuk bij graafwerkzaamheden (menselijke fout), maar ook aardbevingen en water-indringing (natuurlijke oorzaak), aanrijding van bovengrondse controlepunten (vandalisme)... kunnen aanleiding geven tot een fysieke breuk in het netwerk. Foutdetectie Fouten kunnen op twee manieren gedetecteerd worden: rechtstreeks via de helpdesk of via het automatische detectiesysteem (uit het routine operation process) van de netwerkbeheerder. Dit automatisch detectiesysteem monitort het netwerk constant waardoor we kunnen aannemen dat de rapporteringstijd voor telecomnetwerken nagenoeg gelijk is aan nul. Aanmaken TT De administratie die vooraf gaat aan de eigenlijke herstelling houdt in dat een trouble ticket (TT) wordt aangemaakt. Dit document is de referentie voor de afhandeling van het probleem en de samenwerking tussen de verschillende stakeholders (de netwerkbeheerders betrokken bij de fout, klanten, overheden...). Het TT is een mechanisme dat de detectie, rapportering en oplossing van het probleem bijhoudt. Het TT zorgt eveneens voor de scheduling en dispatching van het herstellingsproces. Een dergelijk systeem is onontbeerlijk wanneer verschillende personen op een verschillend tijdstip en een verschillende plaats aan het probleem werken. Men kan stellen dat het TT het volledige verloop van het proces volgt. Diagnose Zoals reeds vermeld zijn bij telecomnetwerken andere fouten dan kabelbreuken denkbaar. We beperken ons tot het veel voorkomende geval van kabelbreuken. Foutisolatie en –lokalisatie Om zo efficiënt mogelijk de eigenlijke herstelprocedure te starten en uit te voeren is het noodzakelijk om de fout exact te lokaliseren. Bij telecomnetwerken maakt men daarvoor gebruik van tijddomein reflectometers (TDR). Een TDR is een elektronisch instrument dat wordt gebruikt om fouten in metaalkabels, zoals twisted pair (TP) en coax te lokaliseren. Ook in optische vezel kan de techniek worden aangewend, men spreekt dan van optische TDR (OTDR). De reflectometers worden gebruikt voor het in-place testen van een zeer lange kabellooppas, waarbij het onpraktisch is om op te graven. Zij zijn onmisbaar voor preventief onderhoud van telecommunicatie lijnen, aangezien zij groeiende weerstandsniveaus op verbindingen en 58

stijgende isolatielekkage (door bijvoorbeeld vocht-indringing) aan het licht kunnen brengen lang voordat deze tot catastrofale mislukkingen kunnen leiden. Het gebruik van een TDR laat toe om een fout tot op enkele centimeters te lokaliseren. Herstel De eigenlijke herstellingstap hangt sterk af van het type toegangsnetwerk. Het herstel van koperen netwerken, zoals het PSTN, kan bijvoorbeeld ter plaatse (in een ‘vuile’ omgeving) gebeuren. Het herstel bestaat dan meestal uit het ter plaatse dichtlassen van de breuk. Herstellingen in glasvezelnetwerken waar we in deze studie van uit gaan, zoals in FTTH, zijn echter delicater en vereisen een propere omgeving [8] . Deze propere omgeving kan gerealiseerd worden door het beschadigde stuk glasvezelkabel uit te trekken en in een aparte bestelwagen te herstellen. Het spreekt voor zich dat een soortgelijke herstelling meer tijd in beslag neemt dan een herstelling in ‘vuile’ omgeving. Test Na het afronden van de eigenlijke herstelling wordt een end-to-end (E2E) test uitgevoerd om na te gaan of het netwerk terug operationeel is. Afsluiten TT Het afronden van het herstellingsproces gaat gepaard met het afsluiten van het TT. De gegevens worden ook gelogd om later nuttige informatie uit af te leiden. We denken hierbij aan statistische informatie betreffende het netwerk: faalkans (failure rate), interacties met andere infrastructuren, vaak getroffen regio... 3.2.2 Generiek herstellingsproces Zoals reeds aangehaald in de inleiding, vinden we naast het telecommunicatie toegangsnetwerk ook nog andere nutsvoorzieningen terug die via een toegangsnetwerk hun diensten leveren aan de eindgebruiker. We denken hierbij aan aardgas, elektriciteit en (drink)water. De verschillende infrastructuren worden bovendien voornamelijk ondergronds uitgerold. Figuur 39 schetst een typisch straatbeeld waarin de verschillende infrastructuren voorkomen.

59

Figuur 39: Verschillende toegangsnetwerken in het straatbeeld

De verticale positionering is aan strikte regels onderworpen [11] . De vermelde waarden in Figuur 39 zijn overeenkomstig het technisch lastenboek van de Vlaamse energiedistributienetbeheerder Eandis. Wat de horizontale positionering betreft is er ook variabiliteit; veelal moet er een minimumafstand van 20 centimeter in alle richtingen gerespecteerd worden tussen de verschillende leidingen [10] . Op het rioleringsnetwerk dat onder het wegdek wordt uitgerold na, wordt elke infrastructuur onder het voetpad of de zijberm uitgerold. De verschillende netwerken worden met andere woorden op een beperkte horizontale ruimte uitgerold. Een belangrijk gevolg van deze inplantingswijze is dat er onvermijdelijk interacties ontstaan tussen de verschillende infrastructuren. Een mogelijke interactie is bijvoorbeeld dat een fout of breuk in een bepaalde infrastructuur nadelige gevolgen heeft voor naburige infrastructuren. Anders gezegd: indien één infrastructuur faalt, leidt dit met een bepaalde waarschijnlijkheid ook tot faling in één of meerdere andere infrastructuren. Op basis van de onderlinge verticale en horizontale positionering in de huidige situatie (Figuur 39) worden de gezamenlijke falingskansen, bij gebrek aan kwantitatieve informatie omtrent gelijktijdige breuken, geschat. We schatten dat de netwerken die op een gelijke diepte worden uitgerold samen falen met een probabiliteit van 20%. Water en aardgas liggen het diepst: indien deze netwerken falen is de kans groter dat de hoger gepositioneerde infrastructuren ook falen (bijvoorbeeld door graafwerkzaamheden die gelijktijdig een aantal infrastructuren beschadigen). Deze grotere kans wordt op 35% geschat. Deze geschatte interacties worden in Figuur 40 samengevat.

60

Figuur 40: Interacties tussen de infrastructuren in de huidige situatie

Tot nog toe hebben we enkel de negatieve gevolgen van de onderlinge positionering aangehaald: gezamenlijke breuk. De uitdaging in dit onderzoek bestaat er echter in om deze onderlinge positionering optimaal aan te wenden bij het herstellingsproces. Het herstellingsproces van Figuur 38 vinden we ook terug bij de infrastructuren water, elektriciteit en aardgas. In de huidige situatie12 verlopen deze processen volledig gescheiden van elkaar. Deze situatie wordt geschetst in Figuur 41.

Figuur 41: Vier onafhankelijke herstelprocessen

12

Hoewel de energiediensten elektriciteit en aardgas in Vlaanderen door eenzelfde beheerder (Eandis of Infrax) onderhouden worden, veronderstellen we in deze studie geen coördinatie of samenwerking op operationeel vlak.

61

We merken op dat de centrale processtappen (in de helpdesk en het NOC) bij de verschillende infrastructuren generiek zijn: de te ondernemen acties zijn min of meer gelijk, ongeacht de infrastructuur in kwestie. Ook in de eigenlijke herstellingsstap zijn bepaalde stappen gelijk (denk maar aan het openen en sluiten van de sleuf). In het bestaan van deze gezamenlijke processtappen en van de interacties tussen de verschillende infrastructuren, vinden we de motivatie om de vier infrastructuren operationeel dichter bij elkaar te brengen. In eerste instantie focussen we ons op het herstellingsproces. Dit kan dan een aanzet zijn om ook de overige operationele processen (Figuur 36) dichter bij elkaar te brengen. Het operationeel dichter bij elkaar brengen impliceert uiteraard niet dat de infrastructuren ook fysiek dichter bij elkaar worden gebracht. We onderzoeken nu per processtap van Figuur 38 hoe deze in de overige infrastructuren wordt georganiseerd en welke mogelijkheden tot samenwerking er zijn. Foutdetectie Elke infrastructuur heeft zijn eigen helpdesk waar fouten kunnen gemeld worden. Om de detectiesnelheid te verhogen wordt het geurloze aardgas met een sterke geurstof gemengd. Elektriciteitsinfrastructuren worden van op afstand gemonitord door TDR metingen. Ook bij water worden continuïteitsmetingen (drukmetingen) op de leidingen uitgevoerd. Samenwerking in deze stap ligt voor de hand; indien een fout gemeld wordt in één van de infrastructuren dienen de andere infrastructuren automatisch gecontroleerd te worden. Aanmaken TT Indien meerdere infrastructuren getroffen zijn, is in principe slechts één TT nodig. Cruciaal in dat gemeenschappelijke TT is dan de flow-of-control. Dit protocol geeft aan welke infrastructuur met voorrang hersteld dient te worden. Diagnose De gestelde diagnose voor gelijktijdig gefaalde infrastructuren is gelijk. Foutisolatie en –lokalisatie Indien de fout in één van de infrastructuren gelokaliseerd kan worden, is deze processtap voor de overige infrastructuren overbodig. Herstel De verschillende herstellingen zijn infrastructuurspecifiek maar kunnen gerust parallel worden uitgevoerd zoals wordt geïllustreerd in Figuur 42. Het herstel van telecom duurt typisch het langst (de glasvezel vereist een propere omgeving...), de overige herstellingen kunnen parallel met het herstel van telecom worden uitgevoerd. De voorbereidende en afsluitende proces62

stappen (het openen en sluiten van de sleuven) zijn generiek en dienen dus slechts één maal te worden uitgevoerd. Test Na het afronden van de eigenlijke herstelling wordt voor elke infrastructuur een E2E test uitgevoerd om na te gaan of het netwerk terug operationeel is. Ook deze stap is specifiek voor elke infrastructuur maar kan wel gedeeltelijk in parallel worden uitgevoerd. Afsluiten TT Na afronden van het herstel wordt het gemeenschappelijke TT afgesloten en de data gelogd. Samengevat: de verschillende centrale processtappen (vanuit de helpdesk en het NOC) kunnen gecombineerd of minstens gecoördineerd worden uitgevoerd. De eigenlijke, fysieke herstellingen kunnen niet worden gecombineerd of vervangen door een generieke herstelling, maar kunnen gerust wel parallel worden uitgevoerd. Concreet gaan we uit van een verregaande coördinatie van de centrale processtappen: de helpdesk en het NOC van de verschillende infrastructuren worden gecombineerd tot één helpdesk en één NOC waarin de vier verschillende infrastructuren gemonitord worden. De situatie kan dus op dezelfde manier worden gemodelleerd als in Figuur 38 maar dan voor een gemeenschappelijke infrastructuur. Het blok ‘Herstel’ in het generieke model wordt verfijnd in Figuur 42.

Figuur 42: Herstelproces in gecombineerde infrastructuren

63

3.3 Kwantitatieve studie 3.3.1 Methodiek In de kwantitatieve studie vertalen we het opgestelde generieke model in een berekeningsmodel. We kunnen ons nu echter niet behelpen met een mathematisch model zoals in Hoofdstuk 2. De relaties tussen de parameters in het model zijn immers te complex om in een redelijke tijd performance measures te berekenen. Bovendien zijn een groot aantal parameters toevalsveranderlijken (doorlooptijden, failure rates...). Om deze redenen maken we gebruik van een stochastisch simulatiemodel om de performantie te benaderen13 aan de hand van Monte Carlo experimenten. Het herstellingsproces kan bovendien opgevat worden als een aaneenschakeling van discrete gebeurtenissen; tussen twee gebeurtenissen in wijzigt de toestand van het systeem niet. Een dergelijk simulatiemodel wordt een discrete event simulatie (DES) genoemd. De toegepaste methodiek wordt geïllustreerd in Figuur 43.

Figuur 43: Simulatieaanpak (uit [18] ) 13

De wet van de grote getallen zegt dat wanneer de steekproef voldoende groot is, het steekproefgemiddelde de performantie maatstaf benadert.

64

Simulatie is met andere woorden een iteratieve procedure waarbij de parameters worden geoptimaliseerd aan de hand van de uitkomst van de vorige simulatie. Met behulp van de software-omgeving Matlab© werd een eigen discrete event simulator opgebouwd. De verschillende processtappen werden als events gemodelleerd. Voor elk type gebeurtenis wordt de toestand van het systeem overeenkomstig gewijzigd. Aan het einde van elke simulatie worden een aantal performance measures berekend (kosten, doorlooptijden...). 3.3.2 Case We gaan uit van een voorbeeld toegangsnetwerk van 80.000 kilometer14 per infrastructuur. De verschillende infrastructuren worden vanuit één intercommunale centrale beheerd. Failure rates Elke infrastructuur wordt gekenmerkt door een failure rate, ofwel het gemiddeld aantal fouten per kilometer netwerk per jaar. Onder ‘fouten’ verstaan we zowel directe fouten als indirecte fouten. De directe fouten ontstaan rechtstreeks in de infrastructuur in kwestie. Meestal zijn deze directe fouten het gevolg van een menselijke fout (typisch voorbeeld: graafwerken), maar bij aardgas en water kunnen ook spontane breuken ontstaan. Een indirecte fout anderzijds wordt veroorzaakt door interactie met een andere infrastructuur. Voor telecomnetwerken [20] wordt uitgegaan van één breuk per 300 kilometer netwerk per jaar. Bij de overige infrastructuren die zich dieper bevinden is de failure rate lager: voor elektriciteit, aardgas en water gaan we uit van één fout per respectievelijk 350, 600 en 600 kilometer netwerk per jaar15. Op basis van de failure rate kan de tijd die verstrijkt tussen twee failures of de mean time between failure (MTBF) per infrastructuur bepaald worden. De MTBF is exponentieel verdeeld (gemiddelde en standaardafwijking zijn gelijk): de exponentiële verdeling wordt vaak gebruikt voor het modelleren van de tijd tussen twee gebeurtenissen die met een constante gemiddelde snelheid voorkomen. Procestijden en kosten Onafhankelijke infrastructuren Tenzij anders vermeld zijn de procestijden in Tabel 11 voor alle infrastructuren gelijk. Voor telecom gaan we uit van een autodetectiesysteem waardoor fouten onmiddellijk gedetecteerd worden (rapporteringstijd gelijk aan nul). Bij de andere infrastructuren neemt de foutrapportering enige tijd in beslag. De performantie van het detectiesysteem uit het routine operation process en de snelheid waarmee de consumenten een defect opmerken bepalen 14

Dit komt overeen met ongeveer één vijfde van het Belgische toegangsnetwerk [18] . Bij gebrek aan kwantitatieve informatie worden de failure rates voor de overige infrastructuren geschat relatief ten opzichte van de voorhanden waarde voor telecom. Water en aardgas bevinden zich een stuk dieper dan telecom (bijna twee maal zo diep voor water); we nemen aan dat de failure rate bijgevolg twee maal lager is.

15

65

samen de rapporteringstijd. Bij aardgas en water nemen we aan dat de rapporteringstijd Gamma-verdeeld is; dit is een rechts-scheve16 verdeling. Voor de centrale processtappen (in de helpdesk en het NOC) veronderstellen we lage variabiliteit. Het transport (afhankelijk van de verkeersdrukte) en de herstelling ter plaatse (afhankelijke van de specifieke breuk) zijn inherent onderhevig aan meer variabiliteit. De vermelde kosten in Tabel 11 bevatten naast het eigenlijke uurloon van het personeel ook de overhead kosten: gebruik van materiaal en machines, opleidingskosten... [22] . Een technische ploeg maakt gebruik van meer en duurder materiaal en heeft ook meer opleiding nodig dan het helpdesk en NOC personeel. We nemen verder ook een beschikbaarheid aan 24/7. Tabel 11: Procestijden en kosten in onafhankelijke infrastructuren (uit [22] )

Taak

Uitvoerder

Detectie

Klant / NOC

TT aanmaken Diagnose Isolatie & lokalisatie Transport Voorbereidend werk

Helpdesk NOC NOC Technische ploeg Technische ploeg

Herstel

Technische ploeg

Afsluitend werk Test TT afsluiten

Technische ploeg NOC Helpdesk

Gemiddelde procestijd [uur] Telecom 0 Elektriciteit 0.17 – 0.33 Aardgas 0.25 Water 0.17 1 0.5 2 0.5 0.5 Telecom 2.5 Elektriciteit 0.33 Aardgas 0.75 Water 0.75 0.5 1.5 0.5

variatie17

Kost [€/uur]

Constant Uniform Gamma Gamma 0.1 0.1 0.1 0.33 0.33

82 74 74 134 134

0.33

134

0.33 0.1 0.1

134 74 82

/

16

Bij een rechts scheve verdeling komen extreem lange rapporteringstijden zelden voor, maar zijn ze evenmin uitgesloten. 17 Tenzij anders aangegeven zijn de procestijden normaalverdeeld met aangegeven coefficient of variation (=standaard afwijking / gemiddelde).

66

Gecombineerde infrastructuren Tabel 12 geeft de procestijden en kosten weer voor de gecombineerde infrastructuren. Tabel 12: Procestijden en kosten in gecombineerde infrastructuren

Taak

Uitvoerder

Detectie TT aanmaken Diagnose Isolatie & lokalisatie Transport Voorbereidend werk Herstel Afsluitend werk Test TT afsluiten

Klant / NOC Helpdesk NOC NOC Technische ploeg Technische ploeg Technische ploeg Technische ploeg NOC Helpdesk

Gemiddelde procestijd [uur] 0 1.5 0.5 2 0.5 0.75 2.5 0.75 3 0.75

variatie 0 0.1 0.1 0.1 0.33 0.33 0.33 0.33 0.1 0.1

Kost [€/uur] / 98 110 110 208 208 208 208 110 98

De kosten voor de verschillende processtappen zijn toegenomen. Voor de centrale processen in de helpdesk en het NOC is geen extra personeel nodig maar zijn er wel extra overhead kosten (opleiding om verschillende infrastructuren gelijktijdig te monitoren...); hierdoor schatten we dat de kosten voor de helpdesk en het NOC respectievelijk met 20% en 50% zijn gestegen. Het feit dat de NOC kosten procentueel sterker zijn toegenomen dan de helpdesk kosten is in overeenstemming met de vaststelling dat het gecombineerd uitvoeren van NOC taken meer extra opleiding vergt dan het combineren van de (standaard) helpdesk processen. De technische ploeg is met twee technici uitgebreid aangezien er nu verschillende taken ter plaatse in parallel moeten uitgevoerd worden; de kost per uur voor de technische ploeg is daarom gestegen met twee manuren (van 37 euro [24] ). Het voorbereidende en afsluitend werk ter plaatse duurt in de gecombineerde situatie langer; niet alleen moeten de sleuven worden geopend, ook moeten de leidingen (die eventueel in een gemeenschappelijke duct zijn uitgerold) van elkaar worden gescheiden. De tijd die werd toegekend aan het eigenlijke herstel is deze voor het herstellen van de telecom leiding. Deze herstelling vergt immers het meeste tijd. De andere herstellingen kunnen parallel met deze herstelling worden uitgevoerd zoals wordt geïllustreerd in Figuur 42. De E2E test duurt nu twee maal langer; we nemen aan dat we twee aan twee infrastructuren in parallel kunnen testen. 3.3.3 Scenario’s De parameters in het model zijn de interactieparameters (probabiliteiten), de kosten en de procestijden. Door aan deze parameters gericht getalwaarden toe te kennen, kunnen verschillende scenario’s worden onderscheiden. Als we drie interactie-scenario’s beschouwen (volledig onafhankelijk, intermediair geval en volledig afhankelijk) in enerzijds onafhankelijke 67

infrastructuren en anderzijds gecombineerde infrastructuren kunnen we zes verschillende scenario’s definiëren (Tabel 13). Tabel 13: Scenario's

Interactie 0% Intermediair 100 %

Onafhankelijke infrastructuren Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3

Gecombineerde infrastructuren Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6

Scenario 1 In het eerste, theoretische, scenario veronderstellen we dat de vier infrastructuren volledig onafhankelijk van elkaar functioneren. Er is geen sprake van interactie tussen de infrastructuren: een breuk in één infrastructuur geeft nooit aanleiding tot een breuk in een andere infrastructuur. De probabiliteiten van Figuur 40 zijn met andere woorden allemaal gelijk aan nul. De procestijden en kosten van Tabel 11 zijn van kracht. Scenario 2 Het tweede scenario geeft de huidige situatie weer. Een breuk in één infrastructuur geeft met een bepaalde kans aanleiding tot een breuk in een andere infrastructuur. De probabiliteiten van Figuur 40 en de procestijden en kosten van Tabel 11 zijn van kracht. Scenario 3 In dit theoretische scenario breken de basisinfrastructuren altijd gelijktijdig. Breuk in één infrastructuur geeft altijd aanleiding tot een breuk in een andere infrastructuur. De probabiliteiten van Figuur 40 zijn met andere woorden allemaal gelijk aan honderd procent (of één). De procestijden en kosten van Tabel 11 zijn van kracht (de infrastructuren functioneren onafhankelijk). Scenario 4 Het vierde scenario is gelijk aan het eerste scenario. De infrastructuren worden nu gecombineerd waardoor de procestijden en kosten van Tabel 12 van kracht zijn. Scenario 5 Het vijfde scenario is gelijk aan het tweede scenario, alleen zijn nu de procestijden en kosten van Tabel 12 van kracht. Scenario 6 Dit laatste scenario is gelijk aan het derde scenario. Nu worden de herstellingen in de infrastructuren echter gecombineerd: de procestijden van Tabel 12 zijn geldig. 68

3.3.4 Resultaten De belangrijkste performance measures die we met de simulatie willen meten zijn: • •

• • •

Aantal kabelbreuken per jaar: dit aantal geeft aan hoe vaak (een deel van) het netwerk onbeschikbaar is. Doorlooptijden van de herstelling: de (gemiddelde) tijd die verstrijkt tussen het optreden van de fout en het afronden van de herstelling. Deze doorlooptijd geeft de tijd weer dat de infrastructuur voor de consument onbeschikbaar is en is sterk gerelateerd aan contractueel bepaalde strafkosten (SLA’s). Standaardafwijking van de doorlooptijd: een maatstaf voor de spreiding en dus de betrouwbaarheid van de vermelde gemiddelde doorlooptijd. Jaarlijkse herstellingskost: de (jaarlijkse) operationele kost om de opgetreden fouten te herstellen. Herstellingskost per fout: ratio van de totale herstellingskost en het aantal opgetreden fouten.

De resultaten van een long-run simulatie18 zijn samengevat in Tabel 14. Het scenario nummer verwijst naar het nummer zoals gedefinieerd in 3.3.3. Uit Tabel 14 kunnen we besluiten dat de herstellingen bij gecombineerde infrastructuren (scenario 4, 5 en 6) meer variabiliteit vertonen dan bij onafhankelijke infrastructuren (scenario 1, 2 en 3) en dat de herstelling bij telecom meer variabel is dan bij andere infrastructuren. Dit verschil in variabiliteit is te wijten aan de relatief lange, en dus inherent ook meer variabele, herstellingstijd van telecom.

18

#

Bij een long run simulatie doen we beroep op de wet van grote getallen om te stellen dat ∑K 6P# M6 N OM . K

69

Tabel 14: Resultaten long-run simulatie

Infrastructuur

Telecom

Elektriciteit

Aardgas

Water

Scenario 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Aantal breuken/jaar 164 265 503 163 265 503 119 228 503 119 228 503 110 136 503 109 133 503 111 136 503 109 133 503

Doorlooptijd [uur] 9,77 9,97 10,51 13,92 13,91 13,91 7,73 7,89 8,41 13,92 13,91 13,91 8,04 8,08 8,74 13,92 13,91 13,91 7,80 7,83 8,51 13,92 13,91 13,91

Standaardafwijking [uur] 0,11 0,12 0,19 0,28 0,27 0,22 0,08 0,08 0,17 0,32 0,29 0,22 0,09 0,09 0,13 0,32 0,33 0,22 0,09 0,10 0,13 0,32 0,32 0,22

Kost [€/jaar] 170.219 273.054 514.542 260.726 295.071 234.704 87.291 167.160 368.187 190.611 255.185 234.704 85.311 104.911 396.548 174.593 148.802 234.704 81.972 100.362 379.628 174.548 148.897 234.701

Kost/fout 1.038 1.030 1.023 1.600 1.116 467 732 733 732 1.602 1.117 467 784 770 788 1.602 1.117 467 739 741 755 1.602 1.117 467

De gemiddelde doorlooptijden van de verschillende, onafhankelijke en gecombineerde, processen en de relatieve bijdrage van de processtappen tot de doorlooptijd worden grafisch weergegeven in Figuur 44. Het verschil in doorlooptijd bij onafhankelijke infrastructuren is in belangrijke mate te wijten aan het verschil in hersteltijd. De processtappen isolatie & lokalisatie, herstel (met voorbereidend en afsluitend werk) en E2E test dragen het meest bij aan de totale doorlooptijd. Door deze processen voor verschillende infrastructuren te combineren kan de totale doorlooptijd om alle fouten in alle infrastructuren te herstellen, verkort worden.

70

14

Doorlooptijd (uren)

12 TT afsluiten 10

E2E test

8

Herstel

6

Voorbereidend en afsluitend werk

4

Transport

2

Isolatie & Localisatie Diagnose

0

Detectie TT aanmaken

Figuur 44: Doorlooptijden onafhankelijke en gecombineerde infrastructuren

De individuele doorlooptijd van een herstelling ligt voor gecombineerde infrastructuren gemiddeld bijna drie uur (voor telecom) en vier uur (voor de overige infrastructuren) hoger dan voor onafhankelijke infrastructuren. Echter, de totale doorlooptijd om eenzelfde aantal fouten op te vangen is bij gecombineerde infrastructuren een stuk lager. Figuur 45 en Figuur 46 illustreren dit verloop. Het aantal fouten neemt toe naarmate de infrastructuren meer interactie vertonen (vaker samen falen). Indien de infrastructuren onafhankelijk functioneren, neemt de totale kost voor de herstellingsprocedure evenredig toe. De ratio kost per herstelling blijft dus min of meer constant in de eerste drie scenario’s. Indien het operationeel proces herstelling bij de verschillende infrastructuren gecombineerd wordt uitgevoerd, stijgt de totale kost minder snel dan dat het aantal fouten toeneemt (zoals in Figuur 47 geïllustreerd wordt). Deze tendens is te verklaren doordat een aantal vaste kosten (helpdesk, NOC, voorbereidende werkzaamheden...) gedeeld worden over meer infrastructuren indien fouten gelijktijdig optreden. Dit in tegenstelling tot onafhankelijke infrastructuren waar deze kosten per fout optreden. De ratio kost per herstelling neemt bijgevolg af, zoals we kunnen afleiden uit Figuur 45.

71

4.500 3.000 1.500 0

Kost herstelling per fout

Doorlooptijd (uur)

6.000

40 35 30 25 20 15 10 5 0

40 35 30 25 20 15 10 5 0

Doorlooptijd (uur)

Herstellingskost per fout (Euro)

7.500

Doorlooptijd

Herstellingskost per fout (Euro)

Figuur 45: Kost per herstelling en doorlooptijd voor telecom

7.500 6.000 4.500 3.000 1.500 0

Kost herstelling per fout

Doorlooptijd

Figuur 46: Kost per herstelling en doorlooptijd voor alle infrastructuren samen

De totale kost van het herstellingsproces voor alle infrastructuren wordt bij gecombineerde infrastructuren verdeeld over de vier infrastructuren a rato van het aantal opgetreden fouten. Indien de vier infrastructuren gelijktijdig falen (scenario 6), wordt aan elke infrastructuur 25% van de herstellingskost toegekend (het aantal opgetreden fouten is dan immers bij elke infrastructuur gelijk). Daardoor daalt voor telecom netwerken, die intrinsiek het meest falen, de totale kost zoals we kunnen afleiden uit Figuur 48.

72

1.800.000

2000

1.500.000 1.200.000

1500

900.000 1000

600.000

500

300.000

0

Totale kost (Euro)

Totaal aantal fouten

2500

0

Aantal Fouten

Totale Kost

2500

1.800.000

2000

1.500.000 1.200.000

1500

900.000 1000

600.000

500

300.000

0

Totale kost (Euro)

Totaal aantal fouten

Figuur 47: Aantal fouten en totale kost voor alle infrastructuren samen

0

Aantal Fouten

Totale Kost

Figuur 48: Aantal fouten en totale kost voor telecom

Procesvariabiliteit We onderzoeken welke invloed de variabiliteit van de verschillende processtappen heeft op de totale doorlooptijd. We gebruiken de coefficient of variation (cv) als maat voor de variabiliteit en dus als maat voor de betrouwbaarheid19 van het proces. De cv is een genormaliseerde (onbenoemde) maatstaf voor de variabiliteit [25] . Indien de cv kleiner is dan één spreekt men van een lage variabiliteit. Een cv groter dan één wijst op een hoge variabiliteit [21]. In Figuur 49 wordt de totale doorlooptijd geïllustreerd in functie van de procesvariabiliteit (we nemen aan dat elke processtap dezelfde variabiliteit heeft). 19

Betrouwbaarheid in die zin dat een vooropgestelde doorlooptijd met de nodige zekerheid kan worden gehaald.

73

Doorlooptijd (uur)

250 200 150 100 50 0 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1

1,1

Coefficient of variation Figuur 49: Invloed van de procesvariabiliteit op de doorlooptijd

Figuur 49 illustreert duidelijk dat een hoge variabiliteit in de individuele procestijden nefast is voor de doorlooptijd van de volledige procedure. In dit geval gaat de doorlooptijd spectaculair de hoogte in indien de cv 0,4 of meer bedraagt. Bij een procedure die bestaat uit een aaneenschakeling van processen, zoals dit bij het herstellingsproces het geval is, is de output van één proces de input van een ander. Een variabele output van een bepaald proces zorgt dus voor een variabele input voor een ander proces; dit verschijnsel wordt ook wel het propageren van de variabiliteit genoemd. We kunnen besluiten dat processen met een lage variabiliteit (dus betrouwbare processen) cruciaal zijn om een redelijke hersteltijd te kunnen garanderen. 3.3.5 Besluiten Naarmate de infrastructuren meer interactie vertonen (van scenario 1 & 4, over scenario 2 & 5 naar scenario 3 & 6) neemt het aantal fouten in sterke mate toe. Indien de infrastructuren onafhankelijk functioneren, neemt de totale kost om die fouten te herstellen even sterk toe: voor elke fout wordt immers het volledige herstellingsproces opgezet. Indien daarentegen het herstelproces gecombineerd wordt uitgevoerd stijgt de totale kost veel minder rap om het toenemend aantal fouten te herstellen. De vaste kosten om een fout te herstellen (TT aanmaken, isolatie en lokalisatie, openen sleuven...) worden immers gemaakt ongeacht het aantal te herstellen fouten. Naarmate er meer interactie is, worden deze vaste kosten door meer infrastructuren gedragen. Het gecombineerd uitvoeren van de herstellingen verhoogt verder de individuele procestijd en de herstellingskost. De totale procestijd (om alle fouten op te vangen) ligt een stuk lager indien de infrastructuren gecombineerd worden.

74

Op basis van bovenstaande vaststellingen kunnen we besluiten dat het gecombineerd beheren van de verschillende infrastructuren opportuun is indien de verschillende infrastructuren onderling voldoende interactie vertonen. Indien de infrastructuren geen enkele vorm van interactie vertonen (zoals in de theoretische scenario’s 1 en 4) is er geen enkel voordeel om de infrastructuren operationeel dichter bij elkaar te brengen. In het andere extreme geval waarbij de infrastructuren altijd gelijktijdig breken (zoals in de theoretische scenario’s 3 en 6) heeft de operationele samenwerking een duidelijk voordeel. In de intermediaire situaties tussen deze twee extrema moet de trade-off worden gemaakt: een bepaalde graad van interactie geeft aanleiding tot een bepaalde kost om alle fouten te herstellen. Vanaf het moment dat deze kost bij onafhankelijke infrastructuren groter wordt dan bij gecombineerde infrastructuren levert het combineren van infrastructuren duidelijk een kostenvoordeel. Indien we het verloop van de kostencurve tussen de berekende scenario’s, vermoedelijk in tegenstelling tot de realiteit, lineair veronderstellen, kunnen we de theoretische interactie bepalen vanaf waar het (operationeel) combineren van infrastructuren zinvol is. We geven een geaggregeerde waarde weer voor de interactie: dit is één waarde representatief voor alle bestaande interacties tussen de verschillende infrastructuren. Het intermediaire scenario uit de case kennen we een geaggregeerde interactie toe van 20%20. Uit Figuur 50 blijkt dat het gecombineerd beheren van infrastructuren aanleiding geeft tot kostenbesparing indien de infrastructuren een geaggregeerde interactie hebben van 40% of meer. De punten op de curves komen overeen met de berekende waarden uit Figuur 47 maar worden nu uitgezet ten opzichte van een lineaire schaal in plaats van een numerieke schaal. 1.800.000

Totale kost (Euro)

1.500.000 1.200.000 900.000 Onafhankelijk 600.000

Gecombineerd

300.000 0 0%

20%

40%

60%

80%

100%

Interactie

Figuur 50: Synergetische effecten in functie van de interactie 20

Deze 20% komt overeen met het gemiddelde van de interacties uit Figuur 40.

75

3.4 Synthese We vatten ter afronding de belangrijkste bevindingen van de studie samen. Het gecombineerd uitvoeren van het herstelproces geeft aanleiding tot hogere proceskosten en hogere procestijden dan wanneer het herstelproces per infrastructuur afzonderlijk wordt uitgevoerd. De kosten worden echter gedragen door meer infrastructuren. Om de totale kost bij gecombineerde infrastructuren effectief lager te houden dan de totale kost bij onafhankelijke infrastructuren moet er genoeg interactie (geaggregeerd minstens 40%) zijn tussen de verschillende infrastructuren. Op die manier komt het kostenvoordeel van gecombineerde infrastructuren het meest tot uiting. Idealiter is de totale kost uiteraard zo laag mogelijk. Het gecombineerd herstellen van infrastructuren lijkt dus geen voordeel te hebben: door de verschillende infrastructuren zodanig ten opzichte van elkaar te schikken dat de interactie beneden de 40% threshold blijft, is er geen baat bij een synergetisch herstelproces. In sommige gevallen kan het evenwel onmogelijk zijn om beneden die 40% threshold te blijven, bijvoorbeeld omwille van de beperkte ruimte die toebedeeld werd aan de infrastructuurproviders om hun netwerk uit te rollen. Een ander voorbeeld waarbij de synergieën in het herstellingsproces kunnen aangewend worden, is wanneer het combineren van de herstelling kadert in een verdere (operationele) samenwerking tussen verschillende infrastructuurproviders. Naast het herstelproces kunnen ook de overige operationele processen van Figuur 36 onderzocht worden op mogelijke samenwerkingsverbanden. Op die manier worden een aantal vaste kosten om tot een operationele samenwerking te komen (opleiden van het personeel e.d.) niet alleen gedeeld over meerdere infrastructuren maar ook over meerdere processen. Het gezamenlijk uitrollen van de netwerken (al dan niet in één composiet leiding) biedt verder ook mogelijkheden tot synergetische effecten in zowel CapEx als OpEx (denk maar aan het delen van de vaste graafkosten of kosten voor netwerkplanning). Indien netwerken samen en nog dichter ten opzichte van elkaar worden uitgerold heeft dit meestal een hogere interactie tot gevolg, wat als randvoorwaarde voor een zinvolle operationele samenwerking werd geopperd. Samenvattend kunnen we besluiten dat indien we de zinvolheid van een investering om tot een gecombineerde herstellingsproces te komen willen inschatten, we het volledige kostenplaatje (alle CapEx én OpEx) moeten beschouwen.

76

Hoofdstuk 4.

Besluit en toekomstperspectieven

4.1 Conclusies In deze thesis werden optimalisatiemogelijkheden onderzocht in de twee netwerksegmenten het dichtst bij de eindgebruiker: het lokale netwerk en het toegangsnetwerk. De toegepaste methodiek in beide, min of meer onafhankelijke, onderzoeksdomeinen was gelijkaardig. In een eerste deel werd de nodige achtergrond verschaft over het onderzoeksdomein aan de hand van de informatie uit de literatuur. Nadien werd deze kwalitatieve informatie geabstraheerd en omgezet in een kwantitatief model. Aan de hand van dit model werden een aantal zinvolle scenario’s gedefinieerd en onderzocht. Op basis van zowel de kwalitatieve informatie als de onderzoeksresultaten, werden dan de belangrijkste bevindingen en aandachtspunten om tot een optimalisatie te komen expliciet geformuleerd. Voor indoornetwerken waren de belangrijkste bevindingen:

- Om toekomstbestendige netwerken uit te bouwen, dus netwerken die bestand zijn tegen de te verwachten IP invasie met bandbreedte eisen van 1 Gbps en meer tot gevolg, lijkt het medium glasvezel, POF in het bijzonder, de aangewezen oplossing. Glasvezel zal overigens in de nabije toekomst door prijserosie competitief zijn met koper. Glasvezelnetwerken kunnen bovendien op een eenvoudige wijze worden geüpgraded.

- Dé optimale netwerktechnologie bestaat niet: afhankelijk van de specifieke omstandigheden en eisen kan al dan niet voor een bepaalde technologie en configuratie worden gekozen. Het staat de eindgebruiker vrij om naar eigen goeddunken een netwerk uit te rollen dat aan zijn eigen specifieke noden beantwoordt. De opgestelde syntheseschema’s claimen dus geenszins volledigheid. 77

- De impact van de OpEx in dit netwerksegment is gering: optimalisatie van de totale kosten komt overeen met een optimalisatie van de CapEx. De belangrijkste bevindingen voor toegangsnetwerken kunnen als volgt worden samengevat: -

-

Eens uitgerold en operationeel, nemen de OpEx de bovenhand in de kostenstructuur van netwerkproviders. De verschillende operationele processen van een netwerkoperator, het herstelproces voor kabelbreuken in het bijzonder, vinden we terug in de verschillende infrastructuren: telecom, elektriciteit, aardgas en water. Het gecombineerd uitvoeren van het herstellingsproces is enkel zinvol indien de netwerken ook sterke onderlinge interactie vertonen of indien de netwerken met andere woorden geregeld samen falen. In deze situatie kunnen de vaste kosten die gemaakt worden bij het gecombineerd uitvoeren van de herstelling maximaal worden gespreid.

- Om de synergetische effecten ten volle te ervaren, reikt de operationele samenwerking beter verder dan het herstellingsproces alleen. De vaste kosten om tot een operationele samenwerking te komen, worden op die manier niet alleen over verschillende infrastructuren maar eveneens over verschillende operationele processen gespreid. Ook een aantal andere operationele processen (klantenaansluiting, netwerkplanning...) lenen zich mogelijks tot een samenwerking op operationeel niveau.

4.2 Toekomstig werk Ter afronding worden enkele mogelijkheden gesuggereerd om het onderzoek in deze thesis verder uit te diepen. -

-

Het inhouse model kan nog verder worden verfijnd. Naarmate de kwaliteit van draadloze technologieën verder evolueert, kan een draadloos netwerk uitgerold worden als alternatief voor en dus niet meer zozeer als complement met het draadgebonden netwerk. Daarnaast kunnen nog een aantal niet nader bestudeerde configuratie opties bij de studie worden betrokken en kan de bandbreedte-eis nauwkeuriger worden opgelegd. Concreet zouden een aantal vaak voorkomende gebruiksscenario’s (vb. een home office scenario) kunnen worden gedefinieerd en aan het model worden toegevoegd. Het berekeningsmodel werd dan ook opgesteld om uitbreidingen zo eenvoudig mogelijk toe te laten. Zoals reeds werd aangegeven in het besluit kan de operationele samenwerking in outdoor netwerken verder reiken dan het gezamenlijk beheren van het herstellingsproces alleen. Ook andere operationele processen (klantaansluiting, netwerkplanning...) kunnen zich lenen tot synergieën met andere infrastructuurproviders. De studie kan dus 78

-

uitgebreid worden door het effect na te gaan indien deze andere operationele processen eveneens (operationeel) dichter bij elkaar worden gebracht. We merkten overigens al op dat een verder reikende operationele samenwerking een voorwaarde is voor het ervaren van werkelijke synergieën. Ook het gezamenlijk uitrollen van de netwerken, zoals dat al gebeurt in Vlaanderen [11] kan aan een techno-economische studie worden onderworpen. Op die manier kan het totale kostenplaatje (CapEx en OpEx) geëvalueerd en geoptimaliseerd worden. Het simulatiemodel voor het kwantificeren van de synergieën kan nog verder worden verfijnd om nog meer in overeenstemming te worden gebracht met de praktijk. De uitvoeringstijden, de kosten en de MTBF van de diverse infrastructuren zouden voor elke infrastructuur kunnen worden begroot in plaats van te worden geschat. Bovendien zouden strafkosten kunnen worden toegekend aan de wachttijden bij lange herstellingen. Op die manier reflecteert het model beter de werkelijkheid en zijn de resultaten direct toepasbaar. Deze aanpassingen en uitbreidingen kunnen door de opbouw van het simulatiemodel vrij eenvoudig worden doorgevoerd.

79

Bijlage A

Overzicht Cd-rom

Op de bijgevoegde Cd-rom werden volgende bestanden opgenomen:

1. Berekeningsmodel inhouse netwerken (Excel files) 2. Simulatiemodel outdoor netwerken (Matlab© files) 3. Thesisboek - Tekst - Figuren - Referenties

80

Bibliografie [1]

ALCATEL, CTO Technical Report – Home network transport technologies, 2008

[2]

ALPHA, Deliverable D1.1p, End-user future services in access, mobile and in- building networks, 2008

[3]

ALPHA, Deliverable D3.1, Requirements and Architectural Options for Broadband InBuilding Networks supporting Wired and Wireless Services, 2009

[4]

ALPHA, Deliverable D3.2, Upgrade strategies for in-building networks, 2009

[5]

ALPHA, Deliverable D3.3, Cost analysis of proposed in-building architectures, 2010

[6]

BELGACOM, Netwerk van Belgacom bij wereldtop - De toekomst wordt verder voorbereid met proefprojecten, Persbericht, Brussel, september 2009

[7]

K. CASIER, Techno-economic evaluation of a next generation access network deployment in a competitive setting, PhD, 2009

[8]

K. CASIER et al., A clear and balanced view on FTTH deployment costs

[9]

B. CHARBONNIER, H. WESSING, B. LANNOO, M. POPOV, Future Home Network Requirements, 2008

[10]

L. DESCHUTTERE, Multi-actor analyse voor een synergetische samenwerking van verschillende nutsnetwerken, Thesis UGent, 2010

[11]

EANIDS, Bijzonder technisch lastenboek, Uitvoering van werken ondergrondse leidingen – beschrijving der posten, Versie 1, 2008

[12]

A. GOUWY, Impact van beperkte mankracht bij event-gedreven operationele processen op de kosten voor een telecomoperator, 2007

[13]

F. GUBBELS, ICT-Infrastructuur en Datacommunicatie, 2007, Vol. 3, pp. 73-103

[14]

A.M.J. KOONEN et al., Optimisation of In-building Optical Networks, 2008

[15]

B. LANNOO, Sudie van toegangscommunicatienetwerken voor heterogene omgevingen, PhD, 2008

[16]

C.P. LARSEN, Broadband and home networks in Sweden – commercial deployments and research status, Acreo AB, Kista, Sweden, 2009

81

[17]

B.T. OLSEN, K. STORDAHL, Models for forecasting cost evolution of components and technologies, Telektronikk, 2004, Vol. 4, pp. 138-148

[18]

TIBCO Business Studio, Process Modelling User Guide, 2009

[19]

B-TICINO – LEGRAND, Algemene catalogus, 2010

[20]

L. VAN HALEWYCK, Optimalisatie van operationele kosten voor telecomoperatoren en daarmee geassocieerde afweging tussen netwerkreparatietijden en strafkosten, 2007

[21]

H. VAN LANDEGHEM, Advanced Methods in Production & Logistics, 2008

[22]

S. VERBRUGGE et al., Impact of resilience strategies on capital and operational expenditures, Proceedings of ITG Tagung Photonical Networks 2005, Leipzig (Germany), May 2005, pp 109-116

[23]

S. VERBRUGGE et al., Modeling Operational Expenditures for Telecom Operators, Proceedings of 9th Conference on Optical Network Design and Modeling, Milan (Italy), 2004, p. 455-466

[24]

Vlaamse Dienst voor Arbeids Bemiddeling, “Arbeidsmarkt, trends & cijfers”, http://www.vdab.be

[25]

K. WOBEY, W.A. HENDRICKS, The sampling distribution of the coefficient of variation, Vol. 7, pp. 129-132

82