Mitcsenkov Attila, Paksy Géza (BME-TMIT) {mitcsenkov

Átírás

1 Mitcsenkov Attila, Paksy Géza (BME-TMIT) {mitcsenkov

2 Háttér (FTTx/NGA hálózatok) FTTx hálózatok tervezése Hálózattervezés, mint optimalizálási feladat Algoritmikus háttér FTTxDesigner Elért eredmények 2

3 Háttér (FTTx/NGA hálózatok) Szolgáltatások Piaci trendek Architektúrák Technológiák FTTx hálózatok tervezése Célok Elvárások Munkafolyamat Ma elterjedt megoldások Hálózattervezés, mint optimalizálási feladat Kihívások Modell Költségfüggvény Feltételek Algoritmikus háttér Részfeladatok Bonyolultság Kidolgozott megoldások FTTxDesigner Történet, fejlesztők Keretrendszer moduljai Mintapélda / esettanulmány Elért eredmények Értékelés Alkalmazási lehetőségek Kapcsolatok, együttműködések Tervek mitcsenkov@tmit.bme.hu

4 Szolgáltatások Architektúrák Technológiák Piac: előrejelzések, trendek, stb

5 Triple Play Hang+video+adat: szolgáltatói szemszögből előny Egy hálózat, egy vezérlés, egy üzemeltetés: alacsonyabb költségek! Enabling technology HDTV, UDTV, 3DTV, VoD: Video on Demand Videoconferencing Interaktív online játékok e-health/commerce/medicine/etc. Sávszélesség igények (előrejelzés) Rövidtávon: 100 Mb/s előfizetőnként Középtávon: 1 Gb/s előfizetőnként FTTH boom az elkövetkező években: Global Industry Analysts Inc.: Világszerte millió FTTH/B előfizetés 2015-ig Deutche Telekom: 4 millió háztartás (10%) 2012-ig = 10 milliárd British Telecom / Financial Times 2.5 millió háztartás (10%) 2012-ig = 1.5 milliárd 5

6 Optikai hozzáférési hálózatok Nagy sávszélesség, megbízhatóság Elérhető árú, egyszerű eszközök Technológiák: Passzív optikai hálózatok (xpon) Aktív optikai hálózatok (AON) Pont-multipont (pl. AETH) Pont-pont / dedikált (P2P) Optika + réz xdsl (ma VDSL, VDSL2, VDSL 2+) CATV / HFC / DOCSIS Architektúrák Beruházás mértéke időtállóság Hálózatfejlesztés ( network evolution ) 6

7 Célok Elvárások Munkafolyamat Mai gyakorlat 7

8 Hálózattervezés Stratégiai tervezés: topológia és rendszerterv Kiviteli terv: további finomítás szükséges Költségbecslés Előzetes becslés: megvalósíthatósági tanulmányok Topológia alapján: nagy pontosság! Műszaki-gazdasági elemzés Technológiák, architektúrák összehasonlítása Döntéstámogatás 8

9 Automatikus / algoritmikus hálózattervezés CAD (Computer Aided Design) Számítógéppel támogatot tervezés GIS (Geographic Information System) Földrajzi adatok alapján Motiváció: Költséget és időt takarítunk meg Matematikai eszközök, optimalitási garanciák Nem helyettesíti, hanem támogatja a tervezőt! 9

10 Rugalmasság Többféle FTTx rendszerhez Térkép alapján, adott szolgáltatási területhez Meglévő infrastruktúrához igazítva Teljesítmény Nagy méretekben is ( végpont), sőt ott igazán fontos Közel optimális eredmények Belátható időn belül mitcsenkov@tmit.bme.hu

11 Térkép DB Térkép++ DB++ Stratégiai terv Hálózattervezés: kiviteli terv Elemzés, döntéstámogatás Megvalósít hatóság Üzleti elemzés Műszakigazdasági összehasonlítás Finomítás kiviteli tervvé Részletes térkép és bemenő adatok: költséges Technológia-választás A legígéretesebb változat kidolgozása Döntés Felesleges munka és kiadások elkerülése mitcsenkov@tmit.bme.hu

12 Tapasztalt szakemberek: kézimunka +Rugalmas, kreatív - Költséges, időigényes folyamat Algoritmikus hálózattervezés +Topológia előállítása, optimalizálása - Költségek túlzott egyszerűsítése ( szálhossz) Üzleti elemzés +Átgondolt, részletes költségmodellek - Geometriai modellek, hiányzó topológia 12

13 Geometriai modellek Homogén területet feltételez Népsűrűség Úthálózat Infrastruktúra α F F D F F A B C F F F E R F FP1 FP2 subscriber Cable type 1 Cable type 2 Cable type 3 Cable type 4 Cable type 5 n houses in a row l = distance between two houses The central office at the center This serves n 2 customers F F F 13

14 Kihívások Modell Célfüggvény Feltételek Algoritmikus háttér 14

15 Hogyan fordítható le a feladat a matematika nyelvére? Modell Költség / célfüggvény Korlátok, feltételek Milyen az optimális, vagy legalábbis jó topológia? Gazdasági szempontok: milyen költségekkel számolhatunk? Szükség van egy pontos és rugalmas modellre Hálózati modell Költségmodell Technológiai kötöttségek kezelése Bonyolultság NP-nehéz Nagy méretű problémák ( csomópont) mitcsenkov@tmit.bme.hu

16 Rugalmas, pontos, paraméterezhető Különféle költségfüggvények Minden szükséges adatot tartalmaz Leendő összeköttetések Távolságok Központ (CO) Előfizetői adatok Berendezés helyek 16

17 Ezek felderítése meghatározó fontosságú: mire törekszünk egyáltalán? Topológia-függő Pl. kábelhálózat Topológia-független Pl. előfizetői modemek CAPEX Kiépítés költségei OPEX Üzemeltetési, fenntartási költségek

18 Kábelhálózat Lépcsős, kétszintű Összefüggőségek! Hálózati eszközök Központ Elosztópont Végpont Összefüggés: Több elosztópont kevesebb kábel? Pontos arányok, viszonyok feltérképezése! 18

19 Hol lehet elosztópont? Tápfesz, hűtés, Hol lehet összeköttetést építeni? Milyen költséggel? Mekkora az áthidalható távolság? Törzshálózat / Elosztóhálózat Erősen technológia-függő Mekkora az elosztópont kapacitása? 19

20 Kábelhálózatok + hálózati eszközök költségét minimalizáló topológia, amely: Az elvárt szintű szolgáltatást nyújtja minden előfizetőnek Megfelel a kiválasztott technológia képességeinek (hossz- és kapacitáskorlátok) Az adott területhez illeszkedik Ez alapján: vizsgálható a bonyolultsága bizonyos méretekig kiszámítható az optimum 20

21 Részfeladatok Bonyolultság Kidolgozott megoldások

22 Csoportok kialakítása Szegmentálási / klaszterezési feladat Specialitás: kötött méretű csoportok Elosztópontok elhelyezése Optimális központi pozíció meghatározása Összeköttetések nyomvonala Lépcsős költségfüggvény Steiner-fa feladat Erős összefüggőség az egyes részfeladatok között! 22

23 Nehézségek: Komplexitás: minden esetben NP-nehéz Valóságban nagy problémákkal érdemes foglalkozni Város / városrész méretű területek, Nx végpont Egzakt optimalizálás reménytelen ILP: már párszáz végpont körül eredménytelen Lehetséges megoldások: Relaxáció Adott csoportosítás Rögzített elosztópontok Gyakorlati jelentősége kicsi Approximáció (közelítő módszerek) Érvényes, közel optimális megoldás 23

24 Közelítő algoritmusok ( heurisztika ) Kompromisszum: pontosság vs. gyorsaság Nagy pontosságú közelítés Offline probléma nem sürgős Korlát: pont között is működőképes Specializált eljárások az egyes technológiákhoz No-free-lunch theorem Pontos közelítés érdekében specializálni kell Eltérő hangsúlyok (költségek, korlátok) Dekompozíció Részfeladatok mentén 24

25 Részfeladatok megoldása Összefüggések kezelése Mindig tekintettel lenni a következő lépcsőkre Klaszterezési feladat Elosztópontok Splitter Switch DSLAM Megfelelő élek kiépítése Költség-minimum Csoportosítás Összeköttetések 25

26 Költségek: Kábelhálózat magas Elosztópont alacsonyabb Korlátok: 20 km nem éles korlát Fő cél: optimális csoportosítás Megoldás: Megosztott kábelszakaszok maximalizálása Feszítőfa alapú csoportképzés Kész topológia: tipikusan fa 26

27

28 Költségek: Elosztópont + működtetése drága Kábelhálózat szintén Korlátok: 20+3 km megengedő Fő cél: Minimális elosztópont Optimális csoportosítás Átfedések nélkül Közeli elosztó Megoldás: iteratív, bottom-up klaszterezési eljárás megfelelő csoportméret elérése nem átfedő területek 28

29 Költségek: DSLAM + üzemeltetés: drága Réz: szinte ingyen Korlátok: 300/800 m éles rézhálózati korlát Cél: minél kevesebb DSLAM használata Megoldás: Mohó algoritmus Kritikus végpontok prioritása Top-down clustering 29

30 Költségek: Kábelhálózat drága Különösen a belépési költség Cél: Kábelezési munka minimalizálása Megoldás: Steiner-fa feladat Distance Network Heuristic (DNH): Gráf-transzformációk + minimális súlyú feszítőfa 30

31 Történet Fejlesztők Keretrendszer moduljai Mintapélda / esettanulmány 31

32 Eredeti cél: beruházási költségbecslés (2008) Résztvevők: Paksy Géza (2008-) Mitcsenkov Attila (2008-) Farkas Dávid ( ) Katzenberger Péter (2009-) Steierlein Márton (2009) Bakos Péter (2009-) Rapp Alajos (2010-) Köles Gergely (2010-) 32

33 Gazdasági elemzés CapEx számítások Business Case Analysis Legígéretesebb technológia kiválasztása Topológia-optimalizálás Csoportosítás Elosztópontok helye Összeköttetések Hálózati modell felépítés Gráf Élek, típusok és költségek Földrajzi + infrastruktúra adatok Digitális térkép Meglévő hálózati infrastruktúra 33

34 Térkép & infrastruktúra Előfizetők Topológia

35 Sashegy, Budapest XI/XII. kerület Egy helyi központ területe 5 km2 / 4500 előfizető 35

36 Inhomogén terület Családi, társas és bérházak Meglévő infrastruktúra Rézhálózat Részben meglévő alépítmények Különböző kábelezési technológiák Légkábelek Új földkábelek Meglévő alépítmény 36

37 Térkép, úthálózat és infrastruktúra 82 km úthálózat 60 km meglévő infrastruktúra 2 km új légkábel 20 km új földkábel 35 km bekötő szakasz Gráf: 8000 pont 8500 él 37

38 Előfizetői adatbázis 4239 háztartás, 1079 épület Gráf: pont él 38

39 Technológiai, fizikai specifikációk (korlátok) Költség adatok (célfüggvény) 2 perc számítási idő Topológia Rendszerterv Elosztópontok helye 39

40 40

41 Topológia-információk, hálózati jellemzők Rendszerterv Berendezések helye Szál, kábel és berendezés igény Business Case Analysis CAPEX, OPEX, Cash Flow, Payback, etc. Műszaki-gazdasági elemzés, összehasonlítás GPON, Active Ethernet, VDSL, Point-to-Point Ethernet Tetszőleges metrika alkalmazása lehetséges Széles körű topológia-adatokra támaszkodva A hálózat üzemeltető igényei alapján 41

42 Million EUR CAPEX 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Equipments Cable plant P2P GPON AETH VDSL 42

43 Pont-pont Ethernet GPON

44 EUR / household EUR / household , ,00 800,00 700,00 600, , ,00 300,00 200,00 100,00 0 0, Household / km2 Household / km2 VDSL25 VDSL50 GPON50 GPON100 VDSL: 25 Mb/s vs. 50 Mb/s GPON: 50 Mb/s vs. 100 Mb/s 44

45 Értékelés Alkalmazási lehetőségek Kapcsolatok, együttműködések Tervek 45

46 Közelítő algoritmusok, kettős elvárás: Pontosság Gyorsaság Pontosság Nagy méretekben nehezen vizsgálható Lineáris programozás + trükkök: alsó becslés 10-15% eltérésen belül kisebb példák esetén Gyorsaság előfizető esetén 5-20 perc között 46

47 Gyakorlati alkalmazásokban használható Gyors Pontos Hálózattervezés Költség-becslés Üzleti elemzés Technológiák, architektúrák összehasonlítása 47

48 Látótér bővítése Új technológiák (pl. WDM PON) Gazdasági elemzés Időben változó paraméterek OPEX elemzés Térképi adatok kezelése GIS data interface, pl. OpenStreetMap Illesztés nyilvántartó rendszerekhez Pl. GE SmallWorld Algoritmikus fejlesztések Gyorsabb Pontosabb Rugalmasabb Értékelés és tapasztalatok Átfogó tesztek, esettanulmányok 48

49 Kutatási együttműködések KTH Stockholm IBBT Gent AGH Krakkó Ipari partnerek Magyar Telekom NETvisor GE SmallWorld Ericsson SE 49

50 Háttér (FTTx/NGA hálózatok) Szolgáltatások Piaci trendek Architektúrák Technológiák FTTx hálózatok tervezése Célok Elvárások Munkafolyamat Ma elterjedt megoldások Hálózattervezés, mint optimalizálási feladat Kihívások Modell Költségfüggvény Feltételek Algoritmikus háttér Részfeladatok Bonyolultság Kidolgozott megoldások FTTxDesigner Történet, fejlesztők Keretrendszer moduljai Mintapélda / esettanulmány Elért eredmények Értékelés Alkalmazási lehetőségek Kapcsolatok, együttműködések Tervek mitcsenkov@tmit.bme.hu

51 Kapcsolat: Mitcsenkov Attila BME TMIT IE.327a 51