聚焦场景的10G PON精准部署方案

2022-01-17林银覃晓霞王国栋韦书田

电信科学 2021年12期

林银，覃晓霞，王国栋，韦书田

聚焦场景的10G PON精准部署方案

林银1，覃晓霞2，王国栋1，韦书田1

（1. 华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州 310014； 2. 中国移动通信集团广西有限公司，广西南宁 530028）

当前千兆用户和千兆应用迅猛发展，各运营商都开始加快千兆光网建设，但在10G PON口升级过程中存在设备造价高及网络建设复杂性高两个难点，通过建立“GPON千兆承载能力测算模型”“千兆投资效益分析模型”和“千兆价值小区识别模型” 3个模型，模拟测算某移动网络演进时最佳的10G PON口部署场景，实现10G PON口精准部署，高效支撑千兆业务发展。3个模型适用于任何地区任意运营商，只需要输入对应PON现状数据及小区现状数据，即可模拟输出相应的10G PON部署场景。

10G PON口部署；GPON千兆承载能力；千兆投资效益；千兆价值小区识别

1 引言

自2017年开始，国内各运营商逐步开展10G PON（10-gigabit-capable passive optical network）试点和少量部署，2019年为国内千兆宽带规模部署的元年， 2019年年底工业和信息化部指导宽带发展联盟发布《千兆城市建设指标体系》，明确当前我国城市千兆光纤宽带和5G建设的发展方向和重点工作。目前千兆宽带网络已开始进入规模化商用时代，截至2020年9月，千兆及以上接入速率的固定宽带用户达425万[1]，千兆宽带用户发展迅猛，但国内千兆网络10G PON口占总PON口比例仍然较低，亟待进一步升级。

随着国内各运营商千兆光网建设逐步推进，各种千兆升级方案被提出，其中，文献[2-6]分别对重建ODN（optical distribution network）、外置合波器和内置合波器（COMBO PON方案）3种千兆升级方案的优劣进行对比和详细探讨，给出方案选择建议。更进一步研究中，文献[7]对各运营商局端设备千兆部署策略进行了分析，文献[8]给出了细化不同场景的10G PON部署方案，文献[9-10]则研究了采用COMBO PON技术方式下的分区域建设部署策略和千兆升级过程中的重点及要点。前期大部分研究主要探讨各类千兆技术方案的优劣和应用场景，但对网络实际建设过程中的难点及具体实施要求还没有进一步地研究，因此本文通过对GPON（gigabit-capable passive optical network）现网能力、千兆投资效益、千兆发展潜力等多维度分析，获得更具体的10G PON口部署方案。

根据目前国内千兆网络建设情况，COMBO PON是各运营商主流千兆升级方案，但当前10G PON口占比处于较低水平，未来仍将面临大规模升级的挑战，而10G PON口大规模部署存在问题和困难如下。

·当前10G GPON单端口造价高，各运营商亟须确定精准高效的10G PON口部署方案，满足千兆业务发展同时还需兼顾投资效益。

·现网GPON庞大，升级复杂度和难度高，10G PON口建设需具备可落地性、场景明确的方案支撑。

针对上述问题，本文主要关注COMBO PON方式下的10G PON口部署方案，通过建立“GPON千兆承载能力测算模型”“千兆投资效益分析模型”“大数据千兆价值小区识别模型”3个模型，输出精准的10G PON口精准部署或升级场景，同时将理论方案应用于某移动千兆网络建设，通过实践证明了方案的有效性和优越性。

图1　三模COMBO光模块的原理

2 聚焦场景的10G PON部署方案

2.1 COMBO PON技术特点

文献[2-5]均有详细介绍COMBO PON技术方案，该方案是指将GPON和10G GPON光波长在一个光模块内通过内置合波器实现双通道合波后从同一光口输出。三模COMBO光模块的原理如图1所示，它是将GPON光模块、10G PON光模块及WDM1r器件合一，集成至一个光模块，可兼容GPON、XGPON和XGSPON的ONU，虽然只有一个光口，但实质上对应的是两个独立的物理通道，即GPON ONU只能接收GPON通道信号，XGPON或XGSPON的ONU只能接收10G PON通道信号。

（1）COMBO PON优点

同时满足百兆、千兆业务，支持网络平滑演进，不改变ODN；不引入插损；方案简洁，工程实施难度较低，不增加额外活接头和跳纤，也不多占用机房空间。

（2）COMBO PON缺点

综合造价高，单10G PON口综合造价为3 000～3 200元，约为GPON口的3倍。

目前该技术方案是各运营商选择的主流方案，但前期资源利用率低，投资大的问题将是目前和未来较长一段时间内困扰各运营的难点和痛点，如何在保障投资效益的同时，又能满足业务发展需求，且能保障网络建设的简洁性、可落地性，是亟待解决的问题。

2.2 聚焦场景10G PON部署研究思路

为解决10G PON造价高，投资大问题，主要考虑以下3条策略。

·把握好合理的升级节奏，在一定周期内采用10G PON/GPON混合组网方式，充分利用现网GPON千兆承载能力。

·提升10G PON口与业务需求匹配的精准性，保持较高的资源利用率。

·在不影响千兆业务发展前提下，适当延长10G PON部署周期，充分利用10G PON设备价格逐年下降的规律。

基于以上策略出发，本文研究思路示意图如图2所示。

模型可输入的信息主要有PON现状、宽带业务发展现状、家庭带宽小区现状等，利用这些信息作为输入，分别从利用现网资源千兆承载、千兆投资效益、千兆未来发展潜力预测等维度，测

算哪些场景必须部署10G PON口，哪些场景可以适当提前部署10G PON口，从对运营商千兆网络建设给出更有指导性的建议。

图2　研究思路

2.3 GPON千兆承载能力测算模型

根据千兆业务的带宽需求，GPON具备一定千兆承载能力，为更高效地利用现网资源，本文参照文献[11]，建立了定量测算GPON千兆承载能力模型。

2.3.1 测算公式及参数说明

按照家庭宽带用户同时开通视频、VR业务和宽带上网业务，对于视频、VR业务，按每用户开通2路业务，包含点播、多播、VR视频、VR游戏业务，初期不考虑VR业务，视屏业务考虑为高清，中后期逐步增加VR业务，同时视屏业务实现全4K。视频承载方式有多播和点播两种，接入用户数与带宽的计算公式如下。

PON端口带宽≥Σ（（单用户签约带宽−单用户平均视频业务带宽）×用户平均并发率×数据平均并发率）+单PON端口下点播视频频道数×点播视频并发率×每频道带宽+单PON端口下多播视频频道数×多播视频并发率×多播视频异频道比×每频道带宽+单PON端口下VR业务数×VR业务并发率×每VR业务带宽。

·GPON端口根据目前设备能力，按下行带宽2 300 Mbit/s的70%利用率取定，即1 610 Mbit/s，由于家庭带宽网络对下行速率要求较高，因此文本测算只考虑下行承载能力。

·单用户签约带宽按实际取定，百兆宽带业务按100 Mbit/s取定，千兆宽带在测算中均按照1 000 Mbit/s取定。

·用户平均并发率×数据平均并发率应根据实际现网的运维数据取定，随着签约带宽越大，用户平均并发率×数据平均并发率将会越低，本次模型百兆宽带按33%、千兆宽带按10%。

·视频、VR业务带宽配置需求如下：

直播和点播的视频业务由480P、720P向1 080P、4K发展，带宽分别按10 Mbit/s、50 Mbit/s计算，VR业务目前处于初始应用阶段，带宽按130 Mbit/s基础配置计算。

2.3.2 测算结果

（1）初期阶段

场景：开通视频为高清频道，不考虑VR业务，点播视频并发率、多播视频并发率、多播视频异频道率均为50%。GPON口可同时承载千兆和百兆用户最大值如图3所示，当用户分布位于阴影部分，即曲线与坐标轴围成的图形内时，GPON口下行带宽可满足用户承载需求，当用户分布位于阴影外部，即曲线右上方时，GPON口下行带宽无法满足用户承载需求，可能造成网络拥塞。其中两个最极端情况：当百兆用户为0时，最多可承载15户千兆用户；当百兆用户为42时，最多可承载0个千兆用户。

图3　初期 GPON口千兆百兆用户承载能力

（2）中期阶段

场景：开通视频为高清、4K频道各占50%，点播视频并发率、多播视频并发率、多播视频异频道率均为50%。GPON口可同时承载千兆和百兆用户最大值如图4曲线所示，当用户分布位于阴影部分时，GPON口下行带宽满足用户承载需求，当用户分布位于阴影外部时，GPON口下行带宽无法满足用户承载需求，可能造成网络拥塞。其中两个最极端情况：当百兆用户为0时，最多可承载13户千兆用户；当百兆用户为32时，最多可承载0个千兆用户。

图4　中期GPON口千兆百兆用户承载能力

（3）后期阶段

场景：开通视频为全4K频道，VR业务用户占比50%，点播视频并发率、多播视频并发率、多播视频异频道率、VR业务并发率均为50%。GPON口可同时承载千兆和百兆用户最大值如图5曲线所示，当用户分布位于阴影部分时，GPON口下行带宽满足用户承载需求，当用户分布位于阴影外部时，GPON口下行带宽无法满足用户承载需求，可能造成网络拥塞。其中两个最极端情况：当百兆用户为0时，最多可承载11户千兆用户；当百兆用户为24时，最多可承载0个千兆用户。

（4）测算结果总结

综上所述，不同阶段GPON口升级范围如图6所示，随着时间增长，8K、VR等千兆应用逐步增多，千兆用户带宽需求也随之增长，GPON口千兆承载能力将逐步减弱，初期阶段当GPON口承载的千兆及百兆用户数位于区域1时需升级为10G PON口，中期阶段当GPON口承载用户位于区域1或区域2时需要升级为10G PON口，后期阶段当GPON口承载用户位于区域1、区域2或区域3时，需升级为10G PON口。

图6　不同阶段GPON口千兆升级范围

2.4 千兆投资效益模型分析模型

对于现网承载家庭带宽用户数量越大的GPON口（由于本文基于某移动运营商作为分析对象，因此选择GPON口进行分析，该模型同样适用于EPON升级10G PON的情况），所对应区域的市场占有率也越高，则可发展为千兆宽带的潜在用户数越多，因此考虑对该类GPON口适当提前集中升级，一方面可以更好支撑市场业务发展，获得更高的投资效益，同时也可避免零星升级方式导致维护多次上站，浪费人工和投资，提高网络升级的可落地性。

2.4.1 千兆投资效益模型

（1）投资效益计算模型及相关参数说明

单个10G PON口全生命周期内投资效益测算模型参数见表1。

（2）GPON升级阈值与10G PON口建设规模的关系

根据某移动PON网管数据可导出现网每个GPON口承载家庭带宽用户数的数据，可模拟GPON升级阈值与所需升级GPON口数比例的关系，模拟结果如图7所示。

则：

（3）10G PON建设规模和千兆用户发展的关系

本文通过3个假设建立千兆用户发展和10G PON口建设规模之间的函数关系。

假设1：平均每个10G PON口普通家庭带宽用户升级为千兆家庭带宽用户的概率相同；

假设2：在未来5年内，所有的家庭带宽用户将100%升级为千兆用户。本文考虑千兆家庭带宽用户为线性增长；

假设3：在未来5年内，GPON光猫千兆用户将逐步升级为10G PON光猫千兆用户，并在第5年10G PON光猫千兆用户达到100%，且该转变为线性变化。

表1 单个10G PON口全生命周期内投资效益测算模型参数

图7　GPON口升级阈值与GPON口升级比例关系

（1）千兆用户发展数和10G PON口建设规模的关系计算

根据假设1和假设2，可得千兆用户发展户数可表示为：

图8　GPON口升级阈值与升级用户占比例关系

则：

（2）GPON光猫和10G PON光猫千兆用户发展数与10G PON口建设规模的关系

相应的10G PON光猫千兆用户数为：

（4）10G PON口建设投资、千兆收入、千兆成本的计算方式

1）10G PON口建设投资

10G PON口建设投资可表示为式（11）：

2）千兆用户发展收入

千兆收入主要来自两部分，一部分为普通家庭带宽用户升级为10G PON/GPON光猫千兆用户后所带来的ARPU值提升，另一部分为对于使用10G PON光猫的千兆用户，会收取一次性的调试费用。

从2000年第2代固网开始，一般每5～8年出现一次固网技术的变革，因此本文考虑10G PON全生命周期为8年，千兆收入增长分两个阶段，阶段一为0～5年，该阶段10G PON口上千兆用户数在不断增加，同时10G PON光猫千兆用户也在不断增加；阶段二为6～8年，该阶段10G PON口上用户100%为10G PON光猫千兆用户。

阶段二千兆用户处于稳定状态，则收入可表示为：

全生命周期内千兆收入可表示为：

3）千兆用户发展成本

千兆成本来源主要为10G PON光猫设备费用及装机费用、GPON口割接至10G PON口的维护成本、GPON口拆除利旧产生的负成本，具体计算如下：

2.4.2 投资效益分析

（1）全生命周期内投资收益

千兆投资收益=千兆收入－10G PON口建设投资×千兆成本，根据式（11）、式（14）、式（15）可表示为：

当为8时，可计算全生命周期内的投资收益为：

（2）投资回收期

投资回收期满足方程：

根据式（16），上述方程可表示为：

图9　GPON口升级阈值与千兆投资收益关系

图10　GPON口升级阈值与投资回收期关系

图10表明，投资回收期总体趋势随10G PON建设规模增加而增加，特别的对于GPON升级阈值在1到58范围内，投资回收期变化平缓，在4～6年内，结合全生命周期内投资收益，建议优先完成用户大于或等于17户的GPON口集中割接升级。

（3）投资回报率

投资回报率=年均投资收益/固定投资总额×100%，根据式（11）和式（17）可得：

一般而言大部分行业正常投资回报率在5%～20%，GPON口升级阈值与投资汇报率关系如图9所示。当GPON升级阈值为17户时，投资回报率为19.7%是比较优异的结果，结合全生命周期的投资收益情况，建议优先完成17户的GPON口集中割接升级。

2.5 千兆价值小区识别模型

千兆价值小区识别指通过收集某个区域或城市所有小区的用户及其他特征指标为样本，通过选择合适的统计学方法，对每一个特征值打分及赋予一定的权重值，建立一套有效刻画小区千兆潜力的评分模型，实现千兆价值小区识别，有效指导网络精准千兆升级。

（1）小区千兆价值评分模型

千兆价值小区评分模型可通过以下5个步骤建立。

第一步，数据样本收集。本次模型分析的数样本可以为某一城市小区特征指标，主要分为两类，一类是用户特征值，包括已签约用户数占比、高套餐用户占比、平均签约带宽、当前平均带宽流量等；第二类是非用户特征值，包括小区住户数、房屋价格、5G规划覆盖、友商千兆住进等。

第二步，制定评分标准。对全量小区每个特征指标进行排序，根据排名得分，例如前20%名得5分，20%～40%得4分，依次递减，最低分为1分。

第三步，计算评分权重。由于每个对千兆发展潜力影响不同，因此不能按同权计取，一般可采用主观赋权法/客观赋权法两种方式赋权，主观赋权法典型方法为层次分析法（AHP），客观赋权法典型方法为变异系数法，本文主要选择后者进行权重计算。

第四步，计算得分。根据权重可计算每个小区千兆发展潜力得分，根据得分获得小区千兆网络升级的优先排序表，精准指导网络部署。

模型建立的难点在于第三步权重计算，下面详细介绍本文采用的变异值法计算过程，假设某地市小区数量总共为个，首先计算每个指标平均得分为：

第二步计算每个指标的标准差：

第三步计算每个指标的变异系数：

最后计算各指标权重：

根据上述方法，可评估某小区如下千兆潜力见表2。

表2 某小区如下千兆潜力

（2）某移动千兆价值小区分布

根据上述千兆价值小区评估模型，对不同得分区间定义发展潜力指数，然后对某区域小区进行统计分析，特别对各星级小区的分布情况、覆盖情况、用户占比情况等关键指标给出明确的量化。某移动千兆价值小区情况分析如图12所示。

图12　某移动千兆价值小区情况分析

另外还可针对4星和5星小区在城市中的分布情况，制作热力图。根据热力图，一方面可支撑市场聚焦重点小区发展千兆业务，另一方面可指导网络精准开展10G PON口部署。

2.6 千兆部署策略总结

根据第2.3～2.5节的模型测算，10G PON口部署分两大类需求，第一类为刚性升级需求，即随着千兆用户数量增长，GPON口下行带宽不足以支撑用户承载的情况，对此类场景本文给出了近、中、远期3条GPON口同时承载千兆及百兆用户最大能力值，从而判断GPON口承载千兆和百兆用户数分布处于何种情况时需升级为10G PON口；第二类需求为非刚性需求，即适当提前部署10G PON口，更好支撑市场业务发展，针对该类需求，本文给出两种升级场景，一是根据千兆投资效益模型测算，建议优先对承载用户数≥17户的GPON口升级10G PON口，此时可获得最优的投资收益，二是根据千兆价值小区识别模型分析，建议优先对4星和5星等千兆发展潜力较高的小区进行10G PON口部署，可更精准命中潜在的千兆用户，更好支撑市场业务发展。

3 结束语

本文从现网千兆承载能力、投资效益和千兆业务发展潜力等维度为出发点，分别建立“GPON千兆承载能力测算模型”“千兆投资效益分析模型”和“千兆价值小区识别模型”3个模型，通过模型测算给出了某移动可量化的10G PON口部署场景，有效提升千兆网络建设精准性，且有力支撑市场千兆发展。同时本文的3个模型具有广泛的适用性，可推广至任意地区、任意运营商进行应用。

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Precise deployment scheme of 10G PON based on different scenarios

LIN Yin1, QIN Xiaoxia2, WANG Guodong1, WEI Shutian1

1. China Comservce Huaxin Consulting Co., Ltd., Hangzhou 310014, China 2. China Mobile Group Guangxi Co., Ltd., Nanning 530028, China

At present, with the rapid development of gigabit broadband users and gigabit applications, each communication operation has begun to accelerate the construction of gigabit optical network. However, in the upgrading process of 10G PON, two difficulties have gradually emerged, namely, high equipment cost and high complexity of network construction. Three models was established, including GPON gigabit user carrying capacity measurement model, investment benefit analysis model of gigabit network construction and gigabit value community identification model, to simulate and calculate the best 10G PON port deployment scenario of a mobile company, so as to realize the precise deployment of 10G PON port and support the development of gigabit broadband service efficiently. At the same time, the three models were also applicable to any communication operators in any region. The corresponding 10G PON network deployment scenarios can be simulated and output only by inputting the current PON network data and the current community data.

10G PON deployment, the gigabit user carrying capacity of GPON, gigabit network investment benefits, gigabit value community identification

E963

10.11959/j.issn.1000−0801.2021259

2021−09−01；

2021−11−01