FTTH建設(shè)項目能耗評估方法與模型研究

莊湛海，蔣 燕

（1.中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630；2.廣州優(yōu)億信息科技有限公司 廣州510630）

1 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源問題日趨緊張。一方面，能源消耗帶來的排放導(dǎo)致環(huán)境、氣候等發(fā)生變化；另一方面，能源價格日趨上漲，給各行業(yè)帶來成本的壓力，因此節(jié)能減排成為當(dāng)前一個重要的問題。我國在《“十一五”規(guī)劃綱要》中提出節(jié)能減排的重要目標(biāo)，并作為考核各級政府工作成績的重要指標(biāo)，國內(nèi)各通信運營商也開始重視節(jié)能減排相關(guān)工作。

研究表明，接入網(wǎng)的能耗占整個通信網(wǎng)絡(luò)能耗的比重很大，是通信網(wǎng)節(jié)能減排的重點之一。隨著我國寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，F(xiàn)TTH已逐漸成為接入層網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)接入方式。經(jīng)過幾年的發(fā)展，F(xiàn)TTH網(wǎng)絡(luò)逐漸龐大，能耗占有率也越來越高，但現(xiàn)網(wǎng)中的能耗分布情況始終沒有得到詳細的統(tǒng)計和分析，本文通過對FTTH建設(shè)項目能耗影響因素的研究和分析，建立了FTTH網(wǎng)絡(luò)能耗模型，直觀體現(xiàn)FTTH網(wǎng)絡(luò)的能耗狀況并進行分析，可為運營商實施節(jié)能降耗提供參考。

2 FTTH建設(shè)項目能耗影響因素與能效評估

2.1 能耗影響因素

FTTH建設(shè)項目中的網(wǎng)絡(luò)能耗主要包括OLT和ONT設(shè)備能耗以及放置OLT的機房所涉及的電源轉(zhuǎn)換、空調(diào)等基礎(chǔ)設(shè)施的能耗，其能耗影響因素如圖1所示。

OLT正常運作的能耗包括兩個方面：一是設(shè)備傳送業(yè)務(wù)，即正常工作的設(shè)備能耗，另一個是為保證OLT正常工作帶來的機房制冷、照明等能耗，本文重點研究主設(shè)備能耗。此外，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也會對設(shè)備運作能耗產(chǎn)生一定的影響，主要表現(xiàn)在OLT的布局、覆蓋用戶的模型和實裝率上，在后文的討論中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對能耗的影響會體現(xiàn)在OLT和ONT能耗的計算中。

OLT設(shè)備能耗主要由公共模塊能耗和用戶模塊能耗構(gòu)成。公共模塊包括主控單元、風(fēng)扇單元和上行板卡，由于大多數(shù)設(shè)備均配置單獨的電源單元，因此，將電源單元歸入公共模塊。在這些公共模塊中，主控單元和電源單元的功耗相對穩(wěn)定，在設(shè)備配置和工作溫度確定后基本不變；風(fēng)扇單元設(shè)置為自動模式時，隨著溫度的變化可自動調(diào)換檔位，從而引起功耗變化；上行板卡的功耗區(qū)別主要在于是上行GE板卡還是上行10 GE板卡，一般來說，10 GE板卡的功耗高于GE板卡的功耗，選用何種帶寬的板卡受不同的平均分配帶寬和ONT的數(shù)量影響。用戶模塊是指下行的PON板卡，包括EPON業(yè)務(wù)板和GPON業(yè)務(wù)板，這些板卡只要PON口下掛一個ONT就必須正常運轉(zhuǎn)，消耗電能。研究表明，目前OLT設(shè)備單個PON口下掛的ONT數(shù)量對PON口的功耗影響不大，ONT數(shù)量對功耗的影響主要表現(xiàn)在對PON口數(shù)量的影響上，從而對設(shè)備功耗產(chǎn)生影響；業(yè)務(wù)流量也會對功耗產(chǎn)生一定的影響，但這種影響可以控制在很小的范圍內(nèi)，因此計算功耗時可忽略。因此，OLT功耗情況主要受用戶數(shù)、用戶平均分配帶寬和設(shè)備所處環(huán)境溫度影響。

局端OLT能耗計算如式（1）：

ONT是一個一體機，由于用戶端設(shè)備千差萬別，功耗也各不相同，計算FTTH網(wǎng)絡(luò)能耗時，通常根據(jù)網(wǎng)絡(luò)使用的主流ONT功耗取平均值。

FTTH網(wǎng)絡(luò)能耗為：

其中，N表示單個OLT下掛的ONT數(shù)量。

2.2 FTTH建設(shè)項目能效評估方法

能效評估方法用來衡量FTTH建設(shè)項目的能效狀況，分別用OLT設(shè)備能效指數(shù)和網(wǎng)絡(luò)能效評估衡量。

2.2.1 OLT設(shè)備能效指數(shù)

PON口平均功耗是衡量xPON OLT設(shè)備節(jié)能水平的重要指標(biāo)。

OLT能效指數(shù)可由式（3）計算得到：

其中，POLT表示OLT的滿配整機滿載功耗；PLMT-OLT是OLT整機功耗限定值，其計算如式（4）：

其中，PLMT-OLT是OLT滿配時整機功耗平均到每業(yè)務(wù)端口的功耗值，參照中國通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會下發(fā)的《接入網(wǎng)設(shè)備節(jié)能技術(shù)要求和測試方法_EPON系統(tǒng)(報批稿)》和《接入網(wǎng)設(shè)備節(jié)能技術(shù)要求和測試方法_GPON系統(tǒng) (報批稿)》，PLMT-PON取值為11 W，當(dāng)OLT支持吉比特以太網(wǎng)上聯(lián)接口時，每增加一個吉比特以太網(wǎng)端口，整機功耗可增加4.5 W；當(dāng)OLT支持萬兆以太網(wǎng)上聯(lián)接口時，每增加一個萬兆以太網(wǎng)端口，整機功耗可增加18 W。PLMT-uplink為OLT額外上聯(lián)口允許增加的功耗值。

根據(jù)EOLT-PON的值為OLT分級，能效最高等級為1級，能效等級越高，代表設(shè)備的節(jié)能效果越好。能效等級與能效指數(shù)的分類關(guān)系見表1[1,2]。

表1 能效等級與能效指數(shù)的分類關(guān)系

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)能效評估方法

在進行網(wǎng)絡(luò)能效評估前，首先需要計算FTTH網(wǎng)絡(luò)功耗。根據(jù)能效評估范圍的不同，網(wǎng)絡(luò)功耗可以是整網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功耗，也可以僅是局端設(shè)備功耗。網(wǎng)絡(luò)功耗計算采用加權(quán)算法，是綜合了設(shè)備業(yè)務(wù)能力和不同工作狀態(tài)下能耗水平的一個計算值。工作狀態(tài)包括設(shè)備的滿載狀態(tài)、半載狀態(tài)和空載狀態(tài)等，計算網(wǎng)絡(luò)功耗時，取不同狀態(tài)下所測定的功率并按照不同權(quán)重合成。

網(wǎng)絡(luò)加權(quán)功耗PTotal計算如下：

其中，Pmax是設(shè)備滿載的功耗，P50是半載功耗，Psleep是待機或空載輸入功率[3]。各功耗權(quán)重值適應(yīng)設(shè)備不同的利用率，是根據(jù)通信設(shè)備在網(wǎng)運行的知識和經(jīng)驗得到的。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)加權(quán)功耗PTotal，從兩個方面評估FTTH網(wǎng)絡(luò)能效。

（1）用戶平均加權(quán)功耗

用戶平均加權(quán)功耗是總加權(quán)功耗平均到每個用戶的功耗值，定義為：

其中，PFTTH-user反映了網(wǎng)絡(luò)用戶的平均功耗情況。一般來說，PFTTH-user越小，表明網(wǎng)絡(luò)中單個用戶的能耗越低，F(xiàn)TTH網(wǎng)絡(luò)能效就越高。如果PFTTH-user滿足式（7），則設(shè)備具有較好的能效，能滿足網(wǎng)絡(luò)對能效的要求。

式（7）是參考 Verizon定義的接入網(wǎng)絡(luò)能效（TEEER）及其網(wǎng)絡(luò)能效要求得到的。

Verizon接入網(wǎng)絡(luò)能效定義為：

當(dāng)TEERFTTH≥2.5時，即可滿足對設(shè)備的能耗要求，由此推導(dǎo)出當(dāng)PFTTH-user≤0.67時，設(shè)備具有較好的能效。

（2）用戶平均帶寬加權(quán)功耗

用戶平均帶寬加權(quán)功耗是用戶單位帶寬消耗的功耗，定義為：

降低單位帶寬能耗可以大大降低網(wǎng)絡(luò)能耗，在用戶平均功耗一定的情況下，用戶平均分配帶寬越高，則用戶平均帶寬加權(quán)功耗越小，表明每單位帶寬消耗的功耗越低，從而能以更低的功耗和成本實現(xiàn)更大的帶寬。

3 FTTH建設(shè)項目網(wǎng)絡(luò)能耗模型研究

3.1 網(wǎng)絡(luò)能耗模型結(jié)構(gòu)

FTTH建設(shè)項目網(wǎng)絡(luò)能耗模型部署如圖2所示。

能耗模型系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，前臺采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)語言 Java，數(shù)據(jù)庫采用MYSQL，服務(wù)器采用 Tomcat。該模型系統(tǒng)可以運行在中文Win2000/WinXP/Win2003/Win7/Linux，具有 1 GB及以上內(nèi)存，250 GB及以上硬盤，服務(wù)器端需要運行MYSQL數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)器。

FTTH建設(shè)項目網(wǎng)絡(luò)能耗評估模型需要實現(xiàn)的基本功能包括：靜態(tài)評估、動態(tài)評估以及相應(yīng)評估數(shù)據(jù)的歷史記錄查詢。具體功能模塊如圖3所示。

（1）靜態(tài)模型管理

完成靜態(tài)模型評估和靜態(tài)模型列表功能。靜態(tài)模型評估根據(jù)輸入的設(shè)備參數(shù)和用戶數(shù)量，計算設(shè)備最低能耗及其配置情況，并對其進行評估，包括計算局端OLT的數(shù)量和功耗情況，以圖形化界面顯示功耗分布情況并對節(jié)能前后的功耗情況進行比較，最后根據(jù)設(shè)備功耗情況提出相應(yīng)的節(jié)能建議措施，并將結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中。靜態(tài)模型列表存儲靜態(tài)評估模型歷史數(shù)據(jù)以供用戶查詢。

（2）動態(tài)模型管理

完成動態(tài)模型評估和動態(tài)模型列表功能。動態(tài)評估模型根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測試得到的不同負載下的設(shè)備功耗，計算網(wǎng)絡(luò)平均加權(quán)功耗并進行評估，包括全網(wǎng)加權(quán)功耗、OLT設(shè)備加權(quán)功耗、用戶平均加權(quán)功耗和用戶平均帶寬加權(quán)功耗等。動態(tài)模型評估既能只針對局端OLT設(shè)備，又能針對全網(wǎng)進行能效評估，將結(jié)果用表格和圖形的形式展示在界面，最后根據(jù)能效評估情況提出相應(yīng)的能效提升建議，并將結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中。動態(tài)模型列表存儲動態(tài)評估模型歷史數(shù)據(jù)以供用戶查詢。

3.2 網(wǎng)絡(luò)能效評估模型系統(tǒng)

3.2.1 靜態(tài)模型管理

靜態(tài)模型輸入界面包括網(wǎng)絡(luò)基本信息、OLT公共模塊信息和功耗、OLT用戶模塊信息和功耗以及用戶數(shù)量等，如圖4所示。模型系統(tǒng)根據(jù)這些參數(shù)進行相應(yīng)的計算和分析。

其輸出界面如圖5所示。輸出界面直觀展示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公共模塊的實際配置狀況，并計算能耗最低的設(shè)備功耗及其配置情況，即當(dāng)所有用戶都下掛于同一臺OLT時，利用一個PON口滿配后增加另一個PON口，一塊單板的PON口全部滿配后增加另一塊單板的原則遞增PON口和單板數(shù)量；利用一臺設(shè)備滿配后增加另一臺設(shè)備的原則遞增

OLT設(shè)備數(shù)量時，結(jié)合相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)方案，關(guān)斷空閑的板卡和端口，設(shè)備功耗達到最低。模型同時計算得到不采用節(jié)能技術(shù)方案時的設(shè)備功耗，并將兩者相比較，提出節(jié)能建議措施。

靜態(tài)模型管理同時以圖形化界面輸出OLT設(shè)備不同功能模塊的功耗分布情況，方便對能耗狀況進行分析，各功能模塊所占功耗的比例如圖6所示。

由于現(xiàn)有FTTH節(jié)能技術(shù)方案主要針對空閑板卡和空閑端口實現(xiàn)，因此當(dāng)設(shè)備滿配置時，節(jié)能前后功耗差別不大，如圖6(a)、(b)所示。設(shè)備未滿配置時，以某節(jié)點OLT設(shè)備為例，該節(jié)點設(shè)備放置在城市CBD區(qū)域，下掛用戶數(shù)量為952個，為了滿足網(wǎng)絡(luò)擴展的需要，設(shè)備用戶板卡滿配置，各用戶分散在不同的用戶板卡和端口，因此，整個設(shè)備功耗跟設(shè)備滿用戶配置時的功耗幾乎相同，用戶板卡總功耗為505.76 W，占設(shè)備總功耗的85%，如圖6(c)所示。若采用建議的節(jié)能技術(shù)方案，用戶板卡的總功耗下降為252.1 W，占設(shè)備總功耗的74%，節(jié)省了11%的能耗；由于設(shè)備所處機房的溫度恒定，因此風(fēng)扇板功耗差別不大，如圖6(d)所示。

靜態(tài)模型管理同時以柱狀圖顯示整網(wǎng)所有OLT設(shè)備和總功耗（包括OLT和ONT）情況并將節(jié)能前后的功耗做對比，如圖7所示。

3.2.2 動態(tài)模型管理

動態(tài)模型管理根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測試得到網(wǎng)絡(luò)滿載、半載和空載時的實際功耗，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)各狀態(tài)所占權(quán)重計算網(wǎng)絡(luò)動態(tài)功耗狀況。動態(tài)模型輸入界面如圖8所示。

根據(jù)輸入值計算得到全網(wǎng)、OLT設(shè)備以及用戶和用戶平均帶寬的加權(quán)功耗，并以此衡量網(wǎng)絡(luò)能效，輸出界面如圖9所示。

4 結(jié)束語

本文研究了FTTH建設(shè)項目的網(wǎng)絡(luò)能耗分布及影響能耗的主要因素，結(jié)合FTTH網(wǎng)絡(luò)的特點，建立了FTTH建設(shè)項目的能效評估體系和評估算法，開發(fā)了FTTH建設(shè)項目的網(wǎng)絡(luò)能效評估系統(tǒng)模型。該模型從靜態(tài)、動態(tài)兩個維度對FTTH網(wǎng)絡(luò)能耗進行評估，分析得到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)能耗、能效情況，可以清晰了解網(wǎng)絡(luò)節(jié)能空間，從而更好地幫助運營商制定FTTH網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能減排措施，減少網(wǎng)絡(luò)運營的耗電量，降低成本支出，提高經(jīng)濟效益。

1 中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.接入網(wǎng)設(shè)備節(jié)能技術(shù)要求和測試方法_EPON系統(tǒng)（報批稿）.YDB 067-2011,2011

2 中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.接入網(wǎng)設(shè)備節(jié)能技術(shù)要求和測試方法_GPON系統(tǒng)（報批稿）.YDB 068-2011,2011

3 Verizon.通信設(shè)備的能效要求.VZ.TPR.9205,2012