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