Методика расчета объемов оборудования и линий связи при построении сетей широкополосного доступа

Методика расчета объемов оборудования и линий связи при построении сетей широкополосного доступа

Ключевые слова:

методика расчета, широкополосный доступ.

Методика позволяет выполнять расчет объемов оборудования и линий связи на построение сетей широкополосного доступа, и охватывает сегмент от региональной транспортной сети до абонентского оборудования. При этом предполагается, что сеть строится на базе архитектуры Metro Ethernet, включающей четыре уровня: уровень доступа, уровень агрегации, уровень услуг и ядро сети. На уровне ядра сети используется технология IP/MPLS. Уровень агрегации строится на базе коммутаторов Ethernet. Сети доступа строятся на базе комбинации технологий xDSL, xPON, Ethernet FTTB. Исходными данными для расчета являются: абонентская база на сети доступа с распределением по технологиям, процент ввода абонентского оборудования и линий связи, процент задействования группового оборудования и линий связи, средняя протяженность линий связи от узла связи до абонента, средняя протяженность домовой распределительной сети, ключевые параметры оборудования. Результатом расчета являются: перечень, количество и производительность оборудования сети доступа, агрегации и ядра; тип и протяженность линий связи. Описанная методика легла в основу калькулятора капитальных и операционных затрат на построение сетей широкополосного доступа для целей стратегического планирования, разработанного ФГУП ЦНИИС.

Баркова И.В.,

начальник отдела, ФГУП ЦНИИС, barkova@zniis.ru Сергеева Т.П.,

главный научный сотрудник, ФГУП ЦНИИС, tsergeeva@zniis.ru

Введение

Происходящее в настоящее время слияние городских и зоновых сетей производится созданием единой сети передачи данных на базе технологии Metro Ethernet [1,2]. Типовые схемы городских сетей, также как и схемы региональных сетей строятся с использованием технологии Metro Ethernet. Такой подход является наиболее соответствующим общей архитектуре сетей NGN. С точки зрения стоимости единицы пропускной способности технология Metro Ethernet является абсолютным лидером.

Таким образом, построение сетей Metro Ethernet является одним из самых перспективных решений для операторов связи, строящих высокоскоростные сети, ориентированные на предоставления как традиционных услуг по передаче данных, так и мультимедийных услуг и услуг с добавленной стоимостью.

Для построения сетей масштаба города или региона используются оптические линии связи. Решение, прежде всего, применяется для объединения в единую сеть различных сегментов сетей ШПД.

Бурное развитие сетей ШПД, предоставление абонентам все больших пропускных способностей требует существенных затрат как на построение абонентского участка, так и на модернизацию транспортной сети оператора. При этом требования к пропускной способности городских и региональных сетей могут быть столь значительны, что для их удовлетворения потребуется применение оборудования, наиболее мощного из существующего в настоящее время на телекоммуникационном рынке.

В статье описаны основные положения разработанной ФГУП ЦНИИС методики расчета объемов оборудования и линий связи при построении сетей широкополосного доступа на базе одной или нескольких технологий доступа VDSL, GPON, Ethernet FTTB от абонентского участка до региональной транспортной сети. Представленный подход отличается от предложенного, например, в [3] и [4].

Построение типовых схем городской и региональный сетей по технологии Metro Ethernet

Схема построения сети субъекта Федерации приведена на рис. 1. На рисунке показано, что общее ядро сети выполнено на технологии IP/MPLS, где маршрутизаторы являются одновременно граничными маршрутизаторами РЕ и маршрутизаторами типа Р. На рис. 1 изображен уровень агрегации в виде совокупности коммутаторов постагрегации К1-К8, к которым подключены малые коммутаторы агрегации доступа, подключающие сегменты сетей ШПД. На рисунке коммутаторы КЗ, К5 и Кб агрегируют нагрузку сетей ШПД региональных сетей, а коммутаторы К1, К2, К4, Кб и К8 - агрегируют трафик городской сети. Из рисунка можно видеть, что к маршрутизаторам ядра сети подключаются коммутаторы постагрегации городской и региональной сетей.

Рис. 1. Построение региональной сети и сети административного центра региона по технологии Metro Ethernet

Расчет объемов оборудования и линий связи при построении сетей широкополосного доступа включает два ключевых этапа: расчет сети доступа и расчет региональной транспортной сети, а также транспортной сети административного центра.

Расчет объемов оборудования и линий связи для сетей ШПД

Исходными данными для расчета являются: абонентская база на сети доступа с распределением по технологиям, процент ввода абонентского оборудования и линий связи (ВОабон), процент задействования группового оборудования и линий связи (В0ФУпп), средняя протяженность линий связи от узла связи до абонента (от узла связи до выноса R, от выноса до здания абонента г), средняя протяженность домовой распределительной сети (t), ключевые параметры оборудования.

Результатом расчета являются: перечень, количество и производительность оборудования сети доступа, агрегации и ядра; тип и протяженность линий связи.

В методике предполагается, что сети доступа могут быть построены на базе технологий xDSL (например, VDSL2 на базе MSAN - архитектура FTTN), Ethernet FTTB (ETTB), GPON (архитектура FTTH).

Формулы для расчета объемов оборудования и линий связи по указанным технологиям представлены в табл. 1-3.

Таблица 1

Формулы расчета объемов оборудования и линий связи для технологии \ZDSL2

Оборудование/линии связи Расчет объемов

Домашний шлюз CPE=\HB0j\

МБАМ MSAN = N  Й0,р,,„,

MSAN, Use,^

Коммутатор агрегации „ Гйо -(жі EAgS = —— EAgS,

ВКАБ/ВМС BRAS = NBQnm

BRAS, Use^

Медный кабель (наружный): (АТС- (R + r) MSAN BO 7„„

здание), км Clip, -Usetmm

Медный кабель домовой t-CPE

распределительной сети, км

Кроме представленного подхода в ФГУП ЦНИИС разработана также методика расчета объемов оборудования и линий связи, исходя из заданных потребностей в пропускной способности для абонентов. В данной статье методика не приводится.

Расчет необходимых пропускных способностей линий для региональных сетей

В результате расчета объемов оборудования для построения сетей ШПД определяется количество выходных коммутаторов агрегации доступа с указанием скорости каналов (uplink) на выходных портах. Представленный в статье расчет базируется на данных, представленных в табл. 4.

Расчеты показывают, что обычно в районном центре необходимо устанавливать несколько коммутаторов агрегации с выходными каналами по 10 Гбит/с. В каждом районном центре количество их может быть

разным, причем это количество может составлять несколько десятков и даже сотен.

Таблица 2

Формулы расчета объемов оборудования и линий связи для технологии ЕТТВ

Оборудование/ линии связи Расчет объемов

Домашний шлюз CPE = {N-B0<J

ЕАБ easJcpe } EAS,

Коммутатор агрегации ВО. -OK MgS= 17 „ EAgS,

ВРАЗ/В^ NBO BRAS- BRAS,  UseiAr

Оптический кабель (АТС-здание), км (s„).p'k»„/£All BOK, - Use

Медный кабель 1ГГР домовой распределительной сети, км t-CPE

Таблица 3

Формулы расчета объемов оборудования и линий связи для технологии GPON (FTTH), без учета требований к пропускной способности

Оборудование/линии связи Расчет объемов

01МТ cwr=pvso*J

Сплиттеры Г яо -лП SPLT= SPLTr

01.Т OLT = OLT, Use^

Коммутатор агрегации EAgS = EAgS, Use^

ВРАБ/ВЫС BRAS = BRAS, Use^

Оптический кабель АТС-вынос, км R Г SPLT BOK Group, •Usemm

вынос-здание, км r- ONT BOK Out,

домовая распределительная сеть, км t-CPE

Таблица 4

Требуемая скорость выходного канала коммутатора агрегации

Число абонентов, обслуживаемых коммутатором Скорость выходного канала коммутатора агрегации доступа

1440 (при предоставлении абоненту до 50 Мбит/с) 10 Гбит/с

Если принять, что на 1440 абонентов требуется канал 10 Гбит/с, то расчеты показывают, что в настоящее время существует ограниченное число коммутаторов и маршрутизаторов, которые смогли бы пропустить в региональной сети такой трафик. Например, при абонентской базе 600 тыс. абонентов в региональной сети потребуется организовать 416 каналов по 10 Гбит/с. С учетом скорости выходного канала агрегации 10 Гбит/с (Таблица 4) на 1440 абонентов для абонентской базы 800 тыс. абонентов необходимая пропускная способность региональных сетей уже находится на пределе технических возможностей оборудования маршрутизаторов и коммутаторов, которые должны агрегировать каналы доступа.

Чтобы избежать суммирования пропускных способностей от разных коммутаторов агрегации на звеньях кольцевых структур, региональная сеть строится на уровне L2 в виде одноуровневой или двухуровневой звезды. На первом (нижнем) уровне количество лучей равно количеству коммутаторов агрегации, на втором уровне (уровне постагрегации) эти лучи разбиваются на группы, каждая из которых агрегируется с помощью мощных многопортовых коммутаторов Ethernet, выходы которых подключаются к граничным маршрутизаторам ядра сети. Однако, поскольку целью данных расчетов является определение затрат на одного абонента ШПД, расчет полной величины затрат на всей региональной сети может не производиться, так как необходимо знать лишь схему прохождения одной линии по 10 Гбит/с с учетом всех затрат.

В зависимости от объема абонентской базы областного (административного) центра разработаны три варианта построения сети. Отметим, что во всех случаях городская сеть уровня агрегации строится на базе оптических каналов сетей WDM и является двухуровневой сетью L2. Это означает, что непосредственно коммутаторы агрегации доступа не подключаются к маршрутизаторам ядра сети, а во всех случаях перед входом на маршрутизаторы кольца IP/MPLS устанавливается агрегирующий коммутатор, который называем коммутатором постагрегации (ПА).

Например, в небольшом по численности городе Кызыл с 41 тыс. жителей потребуется организовать 28 коммутаторов агрегации доступа (один коммутатор агрегации на 1440 абонентов), т.е. потребуется использовать 28 портов маршрутизаторов. При использовании коммутаторов ПА типа 8x1 для данного примера будет использовано не более 4-х портов маршрутизаторов. Расчеты показывают, что дополнительный коммутатор будет стоить дешевле, чем 8 дополнительных портов маршрутизаторов.

Разработанные варианты построения сетей по технологии Metro Ethernet приведены на рис. 2-4.

Вариант 1 (рис. 2) представляет собой сеть уровня L2 (двухуровневая звезда) с любой протяженностью линий и малой абонентской базой (до 200 тыс. абонентов). В данном варианте выпопняются функции постагрегации на коммутаторах ПА первого типа или малой емкости (с числом входных портов до восьми со скоростью канала 10 GE и выходным каналом (uplink) 10 GE). В этой схеме используется также маршрутизатор первого типа с малой мощностью (производительностью), к портам которого подключается до двух коммутаторов ПА. Маршрутизаторы связаны кольцевой схемой с линиями 10 GE.

Вариант 2 (рис. 3) предполагает построение сети уровня L2 - двухуровневая «звезда» с любой протяженностью линий и со средней абонентской базой (от

200 до 600 тыс. абонентов). Схема строится на коммутаторах малой емкости (с числом входных портов до восьми и скоростью канала uplink 10 GE). В этой схеме используются маршрутизаторы типа 2 или средней мощности, к портам которых подключается до четырех коммутаторов ПА первого типа. Маршрутизаторы связаны кольцевой схемой с линиями по 40 GE.

Вариант 3 - сеть L2 (двухуровневая звезда) с любой протяженностью пиний и абонентской от 600 тыс. абонентов. Схема строится на коммутаторах 2-го типа большой емкости (30 входных портов по 10 GE и каналом uplink 40 GE). К каждому маршрутизатору 3-го типа (большой мощности) подключается один такой коммутатор ПА. Кольцевая схема маршрутизаторов строится на линиях 40 GE.

Рис. 2. Вариант 1

Рис. 3. Вариант 2

Рис. 4. Вариант 3

Расчет абонентских скоростей для сетей ШПД

Расчет требуемой пропускной способности сети Metro Ethernet должен производиться на основании исходных данных сети о потребностях в пропускной способности сетей доступа.

В результате расчета объемов оборудования для построения сетей ШПД определяется количество выходных коммутаторов агрегации доступа с указанием скорости каналов (uplink) на выходных портах. Скорость работы выходного канала коммутаторов агрегации при числе абонентов п, обслуживаемых коммутатором агрегации, представлена в табл. 5.

Таблица 5

Скорость выходного канала коммутатора постагрегации

Технология доступа Число абонентов n, обслуживаемых коммутатором агрегации СКОРОСТЬ 14г выходного канала коммутатора агрегации, Гбит/с

GPON 32 10

Ethernet 24 10

Средняя скорость V передачи по каждому из

N = 24 входных портов коммутатора агрегации может быть рассчитана из соотношения (1):

Уа. = Ы- У.г.

Из (1) получаем, что V «416,7 Мбит/с.

Скорость Уа абонентов может определяться как средняя Уа р или как максимальная Уатах, которая вычисляется для заданной вероятности ее превышения Р = 1 • 10'3. Определяем средние скорости как

Ч> = — <2>

п

где п - количество подключаемых абонентов к одной ветке ШПД (см. таблицу).

Для вРОЫ Уа «13 Мбит/с,

ср

Для ЕИтегпе! средняя скорость Уаср «17 Мбит/с.

Будем, например, считать, что количество занятых абонентов / в каждом сегменте ШПД распределено по закону Бернулли [5],

/> = СУ(1-яГ' ,/=1,2...........п.

Максимальное число занятых абонентов / определяем из выражения

Р = 1-£сУ(1-аГ' «Ы0 \

Тогда при средней занятости одного абонента а = 0,5 из 32 абонентов для технологии СРОЫ будет занято 21 абонент с вероятностью превышения не более 1 10'3 .

Для ШПД, построенное по технологии ЕИтегпе!, с вероятностью превышения не более 1 10'3 из 24 абонен-

тов будет занято 17 абонентов. Тогда, соответственно, максимальную скорость для СРОМ определим как:

2,4 Гбит/с

и».-

21

: 1 14 МбИТ/С.

Для Ethernet максимальная скорость равна:

1 Гбит / с

Уат„ =

17

»59 Мбит/с.

Таким образом, построение местных (региональных и городских) сетей по предложенным вариантам является наиболее экономичным, но требует использования наиболее скоростных на настоящее время коммутаторов и маршрутизаторов.

В данной схеме построения сети Metro Ethernet средние абонентские скорости у GPON и Ethernet достаточно близки, тогда как максимальная скорость в GPON почти в 2 раза превосходит максимальную скорость в Ethernet.

Заключение

Представленная в статье методика позволяет рассчитывать объем оборудования, а также количество и протяженность линий связи для построения сетей ШПД от абонента до регионапьной транспортной сети.

Описанная методика легла в основу калькулятора капитальных и операционных затрат на построение сетей широкополосного доступа для целей стратегического планирования, разработанного ФГУП ЦНИИС.

Литература

1. Барское А. Ethernet-завоеватель // Журнал сетевых решений LAN, 2009 - №10.

2. Токарев А. Изменение современной модели мульти-сервисной Metro-Ethernet сети оператора // Технологии и средства связи, 2012. - №3.

3. Салухов В.И., Шевченко О.И. Основы проектирования и строительства сетей абонентского доступа на базе технологии PON // Мир телекома, 2012. - №1 - С.3-58.

4. Суховерхое А.Е. Особенности проектирования сетей доступа на базе PON в частном секторе малоэтажной застройки // Мир телекома, 2012. — №1 - С.67-72.

5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, Физматгиз, 1969. - 576 с.

Principles of hardware amount and channels capacity calculation for wideband access networks

I.Barkova, FSUE ZNIIS, chief of department, baikova@zniis.ru T.Sergeeva, FSUE ZNIIS, chief researcher, tseigeeva@zniis.ru

Abstract

Described principles allow to calculate hardware amount and channels capacity to wideband access networks building. The principles involve the segment from metropoliten transport network to subscriber's hardware. It is supposed that the network is based on Metro Ethernet, which includes 4 levels: access level, aggregation level, service level and core level. In the core level there is used IP/MPLS. The aggregation level is constracted on Ethernet switchbords. The access level is based on combined technologies xDSL, xPON, Ethernet FTTB. The input data consist of subscriber's base on access network with allocating according to technologies; percent for subscriber's hardware and channels capacity; percent of using subscriber's hardware and channel capacity, middle length of optical cables from node to subscriber, middle length of optical cable for a house distributing network, key parameters of the hardware. In the issue we get the following characteristics: hardware amount of the access network, core network, aggregation network; their quantity and capability; type and length of cables. The considered principles lay in the basis of capital and operation cost calculation for wideband network building for strategic planning engineering by FSUE ZNIIS.

Keywords: principles, calculation, wideband.