聚焦場景的10G PON精準部署方案

林銀，覃曉霞，王國棟，韋書田

聚焦場景的10G PON精準部署方案

林銀1，覃曉霞2，王國棟1，韋書田1

（1. 華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014； 2. 中國移動通信集團廣西有限公司，廣西 南寧 530028）

當前千兆用戶和千兆應用迅猛發展，各運營商都開始加快千兆光網建設，但在10G PON口升級過程中存在設備造價高及網絡建設復雜性高兩個難點，通過建立“GPON千兆承載能力測算模型”“千兆投資效益分析模型”和“千兆價值小區識別模型” 3個模型，模擬測算某移動網絡演進時最佳的10G PON口部署場景，實現10G PON口精準部署，高效支撐千兆業務發展。3個模型適用于任何地區任意運營商，只需要輸入對應PON現狀數據及小區現狀數據，即可模擬輸出相應的10G PON部署場景。

10G PON口部署；GPON千兆承載能力；千兆投資效益；千兆價值小區識別

1 引言

自2017年開始，國內各運營商逐步開展10G PON（10-gigabit-capable passive optical network）試點和少量部署，2019年為國內千兆寬帶規模部署的元年， 2019年年底工業和信息化部指導寬帶發展聯盟發布《千兆城市建設指標體系》，明確當前我國城市千兆光纖寬帶和5G建設的發展方向和重點工作。目前千兆寬帶網絡已開始進入規模化商用時代，截至2020年9月，千兆及以上接入速率的固定寬帶用戶達425萬[1]，千兆寬帶用戶發展迅猛，但國內千兆網絡10G PON口占總PON口比例仍然較低，亟待進一步升級。

隨著國內各運營商千兆光網建設逐步推進，各種千兆升級方案被提出，其中，文獻[2-6]分別對重建ODN（optical distribution network）、外置合波器和內置合波器（COMBO PON方案）3種千兆升級方案的優劣進行對比和詳細探討，給出方案選擇建議。更進一步研究中，文獻[7]對各運營商局端設備千兆部署策略進行了分析，文獻[8]給出了細化不同場景的10G PON部署方案，文獻[9-10]則研究了采用COMBO PON技術方式下的分區域建設部署策略和千兆升級過程中的重點及要點。前期大部分研究主要探討各類千兆技術方案的優劣和應用場景，但對網絡實際建設過程中的難點及具體實施要求還沒有進一步地研究，因此本文通過對GPON（gigabit-capable passive optical network）現網能力、千兆投資效益、千兆發展潛力等多維度分析，獲得更具體的10G PON口部署方案。

根據目前國內千兆網絡建設情況，COMBO PON是各運營商主流千兆升級方案，但當前10G PON口占比處于較低水平，未來仍將面臨大規模升級的挑戰，而10G PON口大規模部署存在問題和困難如下。

·當前10G GPON單端口造價高，各運營商亟須確定精準高效的10G PON口部署方案，滿足千兆業務發展同時還需兼顧投資效益。

·現網GPON龐大，升級復雜度和難度高，10G PON口建設需具備可落地性、場景明確的方案支撐。

針對上述問題，本文主要關注COMBO PON方式下的10G PON口部署方案，通過建立“GPON千兆承載能力測算模型”“千兆投資效益分析模型”“大數據千兆價值小區識別模型”3個模型，輸出精準的10G PON口精準部署或升級場景，同時將理論方案應用于某移動千兆網絡建設，通過實踐證明了方案的有效性和優越性。

圖1　三模COMBO光模塊的原理

2 聚焦場景的10G PON部署方案

2.1 COMBO PON技術特點

文獻[2-5]均有詳細介紹COMBO PON技術方案，該方案是指將GPON和10G GPON光波長在一個光模塊內通過內置合波器實現雙通道合波后從同一光口輸出。三模COMBO光模塊的原理如圖1所示，它是將GPON光模塊、10G PON光模塊及WDM1r器件合一，集成至一個光模塊，可兼容GPON、XGPON和XGSPON的ONU，雖然只有一個光口，但實質上對應的是兩個獨立的物理通道，即GPON ONU只能接收GPON通道信號，XGPON或XGSPON的ONU只能接收10G PON通道信號。

（1）COMBO PON優點

同時滿足百兆、千兆業務，支持網絡平滑演進，不改變ODN；不引入插損；方案簡潔，工程實施難度較低，不增加額外活接頭和跳纖，也不多占用機房空間。

（2）COMBO PON缺點

綜合造價高，單10G PON口綜合造價為3 000～3 200元，約為GPON口的3倍。

目前該技術方案是各運營商選擇的主流方案，但前期資源利用率低，投資大的問題將是目前和未來較長一段時間內困擾各運營的難點和痛點，如何在保障投資效益的同時，又能滿足業務發展需求，且能保障網絡建設的簡潔性、可落地性，是亟待解決的問題。

2.2 聚焦場景10G PON部署研究思路

為解決10G PON造價高，投資大問題，主要考慮以下3條策略。

·把握好合理的升級節奏，在一定周期內采用10G PON/GPON混合組網方式，充分利用現網GPON千兆承載能力。

·提升10G PON口與業務需求匹配的精準性，保持較高的資源利用率。

·在不影響千兆業務發展前提下，適當延長10G PON部署周期，充分利用10G PON設備價格逐年下降的規律。

基于以上策略出發，本文研究思路示意圖如圖2所示。

模型可輸入的信息主要有PON現狀、寬帶業務發展現狀、家庭帶寬小區現狀等，利用這些信息作為輸入，分別從利用現網資源千兆承載、千兆投資效益、千兆未來發展潛力預測等維度，測

算哪些場景必須部署10G PON口，哪些場景可以適當提前部署10G PON口，從對運營商千兆網絡建設給出更有指導性的建議。

圖2　研究思路

2.3 GPON千兆承載能力測算模型

根據千兆業務的帶寬需求，GPON具備一定千兆承載能力，為更高效地利用現網資源，本文參照文獻[11]，建立了定量測算GPON千兆承載能力模型。

2.3.1 測算公式及參數說明

按照家庭寬帶用戶同時開通視頻、VR業務和寬帶上網業務，對于視頻、VR業務，按每用戶開通2路業務，包含點播、多播、VR視頻、VR游戲業務，初期不考慮VR業務，視屏業務考慮為高清，中后期逐步增加VR業務，同時視屏業務實現全4K。視頻承載方式有多播和點播兩種，接入用戶數與帶寬的計算公式如下。

PON端口帶寬≥Σ（（單用戶簽約帶寬?單用戶平均視頻業務帶寬）×用戶平均并發率×數據平均并發率）+單PON端口下點播視頻頻道數×點播視頻并發率×每頻道帶寬+單PON端口下多播視頻頻道數×多播視頻并發率×多播視頻異頻道比×每頻道帶寬+單PON端口下VR業務數×VR業務并發率×每VR業務帶寬。

·GPON端口根據目前設備能力，按下行帶寬2 300 Mbit/s的70%利用率取定，即1 610 Mbit/s，由于家庭帶寬網絡對下行速率要求較高，因此文本測算只考慮下行承載能力。

·單用戶簽約帶寬按實際取定，百兆寬帶業務按100 Mbit/s取定，千兆寬帶在測算中均按照1 000 Mbit/s取定。

·用戶平均并發率×數據平均并發率應根據實際現網的運維數據取定，隨著簽約帶寬越大，用戶平均并發率×數據平均并發率將會越低，本次模型百兆寬帶按33%、千兆寬帶按10%。

·視頻、VR業務帶寬配置需求如下：

直播和點播的視頻業務由480P、720P向1 080P、4K發展，帶寬分別按10 Mbit/s、50 Mbit/s計算，VR業務目前處于初始應用階段，帶寬按130 Mbit/s基礎配置計算。

2.3.2 測算結果

（1）初期階段

場景：開通視頻為高清頻道，不考慮VR業務，點播視頻并發率、多播視頻并發率、多播視頻異頻道率均為50%。GPON口可同時承載千兆和百兆用戶最大值如圖3所示，當用戶分布位于陰影部分，即曲線與坐標軸圍成的圖形內時，GPON口下行帶寬可滿足用戶承載需求，當用戶分布位于陰影外部，即曲線右上方時，GPON口下行帶寬無法滿足用戶承載需求，可能造成網絡擁塞。其中兩個最極端情況：當百兆用戶為0時，最多可承載15戶千兆用戶；當百兆用戶為42時，最多可承載0個千兆用戶。

圖3　初期 GPON口千兆百兆用戶承載能力

（2）中期階段

場景：開通視頻為高清、4K頻道各占50%，點播視頻并發率、多播視頻并發率、多播視頻異頻道率均為50%。GPON口可同時承載千兆和百兆用戶最大值如圖4曲線所示，當用戶分布位于陰影部分時，GPON口下行帶寬滿足用戶承載需求，當用戶分布位于陰影外部時，GPON口下行帶寬無法滿足用戶承載需求，可能造成網絡擁塞。其中兩個最極端情況：當百兆用戶為0時，最多可承載13戶千兆用戶；當百兆用戶為32時，最多可承載0個千兆用戶。

圖4　中期GPON口千兆百兆用戶承載能力

（3）后期階段

場景：開通視頻為全4K頻道，VR業務用戶占比50%，點播視頻并發率、多播視頻并發率、多播視頻異頻道率、VR業務并發率均為50%。GPON口可同時承載千兆和百兆用戶最大值如圖5曲線所示，當用戶分布位于陰影部分時，GPON口下行帶寬滿足用戶承載需求，當用戶分布位于陰影外部時，GPON口下行帶寬無法滿足用戶承載需求，可能造成網絡擁塞。其中兩個最極端情況：當百兆用戶為0時，最多可承載11戶千兆用戶；當百兆用戶為24時，最多可承載0個千兆用戶。

（4）測算結果總結

綜上所述，不同階段GPON口升級范圍如圖6所示，隨著時間增長，8K、VR等千兆應用逐步增多，千兆用戶帶寬需求也隨之增長，GPON口千兆承載能力將逐步減弱，初期階段當GPON口承載的千兆及百兆用戶數位于區域1時需升級為10G PON口，中期階段當GPON口承載用戶位于區域1或區域2時需要升級為10G PON口，后期階段當GPON口承載用戶位于區域1、區域2或區域3時，需升級為10G PON口。

圖6　不同階段GPON口千兆升級范圍

2.4 千兆投資效益模型分析模型

對于現網承載家庭帶寬用戶數量越大的GPON口（由于本文基于某移動運營商作為分析對象，因此選擇GPON口進行分析，該模型同樣適用于EPON升級10G PON的情況），所對應區域的市場占有率也越高，則可發展為千兆寬帶的潛在用戶數越多，因此考慮對該類GPON口適當提前集中升級，一方面可以更好支撐市場業務發展，獲得更高的投資效益，同時也可避免零星升級方式導致維護多次上站，浪費人工和投資，提高網絡升級的可落地性。

2.4.1 千兆投資效益模型

（1）投資效益計算模型及相關參數說明

單個10G PON口全生命周期內投資效益測算模型參數見表1。

（2）GPON升級閾值與10G PON口建設規模的關系

根據某移動PON網管數據可導出現網每個GPON口承載家庭帶寬用戶數的數據，可模擬GPON升級閾值與所需升級GPON口數比例的關系，模擬結果如圖7所示。

則：

（3）10G PON建設規模和千兆用戶發展的關系

本文通過3個假設建立千兆用戶發展和10G PON口建設規模之間的函數關系。

假設1：平均每個10G PON口普通家庭帶寬用戶升級為千兆家庭帶寬用戶的概率相同；

假設2：在未來5年內，所有的家庭帶寬用戶將100%升級為千兆用戶。本文考慮千兆家庭帶寬用戶為線性增長；

假設3：在未來5年內，GPON光貓千兆用戶將逐步升級為10G PON光貓千兆用戶，并在第5年10G PON光貓千兆用戶達到100%，且該轉變為線性變化。

表1 單個10G PON口全生命周期內投資效益測算模型參數

圖7　GPON口升級閾值與GPON口升級比例關系

（1）千兆用戶發展數和10G PON口建設規模的關系計算

根據假設1和假設2，可得千兆用戶發展戶數可表示為：

圖8　GPON口升級閾值與升級用戶占比例關系

則：

（2）GPON光貓和10G PON光貓千兆用戶發展數與10G PON口建設規模的關系

相應的10G PON光貓千兆用戶數為：

（4）10G PON口建設投資、千兆收入、千兆成本的計算方式

1）10G PON口建設投資

10G PON口建設投資可表示為式（11）：

2）千兆用戶發展收入

千兆收入主要來自兩部分，一部分為普通家庭帶寬用戶升級為10G PON/GPON光貓千兆用戶后所帶來的ARPU值提升，另一部分為對于使用10G PON光貓的千兆用戶，會收取一次性的調試費用。

從2000年第2代固網開始，一般每5～8年出現一次固網技術的變革，因此本文考慮10G PON全生命周期為8年，千兆收入增長分兩個階段，階段一為0～5年，該階段10G PON口上千兆用戶數在不斷增加，同時10G PON光貓千兆用戶也在不斷增加；階段二為6～8年，該階段10G PON口上用戶100%為10G PON光貓千兆用戶。

階段二千兆用戶處于穩定狀態，則收入可表示為：

全生命周期內千兆收入可表示為：

3）千兆用戶發展成本

千兆成本來源主要為10G PON光貓設備費用及裝機費用、GPON口割接至10G PON口的維護成本、GPON口拆除利舊產生的負成本，具體計算如下：

2.4.2 投資效益分析

（1）全生命周期內投資收益

千兆投資收益=千兆收入－10G PON口建設投資×千兆成本，根據式（11）、式（14）、式（15）可表示為：

當為8時，可計算全生命周期內的投資收益為：

（2）投資回收期

投資回收期滿足方程：

根據式（16），上述方程可表示為：

圖9　GPON口升級閾值與千兆投資收益關系

圖10　GPON口升級閾值與投資回收期關系

圖10表明，投資回收期總體趨勢隨10G PON建設規模增加而增加，特別的對于GPON升級閾值在1到58范圍內，投資回收期變化平緩，在4～6年內，結合全生命周期內投資收益，建議優先完成用戶大于或等于17戶的GPON口集中割接升級。

（3）投資回報率

投資回報率=年均投資收益/固定投資總額×100%，根據式（11）和式（17）可得：

一般而言大部分行業正常投資回報率在5%～20%，GPON口升級閾值與投資匯報率關系如圖9所示。當GPON升級閾值為17戶時，投資回報率為19.7%是比較優異的結果，結合全生命周期的投資收益情況，建議優先完成17戶的GPON口集中割接升級。

2.5 千兆價值小區識別模型

千兆價值小區識別指通過收集某個區域或城市所有小區的用戶及其他特征指標為樣本，通過選擇合適的統計學方法，對每一個特征值打分及賦予一定的權重值，建立一套有效刻畫小區千兆潛力的評分模型，實現千兆價值小區識別，有效指導網絡精準千兆升級。

（1）小區千兆價值評分模型

千兆價值小區評分模型可通過以下5個步驟建立。

第一步，數據樣本收集。本次模型分析的數樣本可以為某一城市小區特征指標，主要分為兩類，一類是用戶特征值，包括已簽約用戶數占比、高套餐用戶占比、平均簽約帶寬、當前平均帶寬流量等；第二類是非用戶特征值，包括小區住戶數、房屋價格、5G規劃覆蓋、友商千兆住進等。

第二步，制定評分標準。對全量小區每個特征指標進行排序，根據排名得分，例如前20%名得5分，20%～40%得4分，依次遞減，最低分為1分。

第三步，計算評分權重。由于每個對千兆發展潛力影響不同，因此不能按同權計取，一般可采用主觀賦權法/客觀賦權法兩種方式賦權，主觀賦權法典型方法為層次分析法（AHP），客觀賦權法典型方法為變異系數法，本文主要選擇后者進行權重計算。

第四步，計算得分。根據權重可計算每個小區千兆發展潛力得分，根據得分獲得小區千兆網絡升級的優先排序表，精準指導網絡部署。

模型建立的難點在于第三步權重計算，下面詳細介紹本文采用的變異值法計算過程，假設某地市小區數量總共為個，首先計算每個指標平均得分為：

第二步計算每個指標的標準差：

第三步計算每個指標的變異系數：

最后計算各指標權重：

根據上述方法，可評估某小區如下千兆潛力見表2。

表2 某小區如下千兆潛力

（2）某移動千兆價值小區分布

根據上述千兆價值小區評估模型，對不同得分區間定義發展潛力指數，然后對某區域小區進行統計分析，特別對各星級小區的分布情況、覆蓋情況、用戶占比情況等關鍵指標給出明確的量化。某移動千兆價值小區情況分析如圖12所示。

圖12　某移動千兆價值小區情況分析

另外還可針對4星和5星小區在城市中的分布情況，制作熱力圖。根據熱力圖，一方面可支撐市場聚焦重點小區發展千兆業務，另一方面可指導網絡精準開展10G PON口部署。

2.6 千兆部署策略總結

根據第2.3～2.5節的模型測算，10G PON口部署分兩大類需求，第一類為剛性升級需求，即隨著千兆用戶數量增長，GPON口下行帶寬不足以支撐用戶承載的情況，對此類場景本文給出了近、中、遠期3條GPON口同時承載千兆及百兆用戶最大能力值，從而判斷GPON口承載千兆和百兆用戶數分布處于何種情況時需升級為10G PON口；第二類需求為非剛性需求，即適當提前部署10G PON口，更好支撐市場業務發展，針對該類需求，本文給出兩種升級場景，一是根據千兆投資效益模型測算，建議優先對承載用戶數≥17戶的GPON口升級10G PON口，此時可獲得最優的投資收益，二是根據千兆價值小區識別模型分析，建議優先對4星和5星等千兆發展潛力較高的小區進行10G PON口部署，可更精準命中潛在的千兆用戶，更好支撐市場業務發展。

3 結束語

本文從現網千兆承載能力、投資效益和千兆業務發展潛力等維度為出發點，分別建立“GPON千兆承載能力測算模型”“千兆投資效益分析模型”和“千兆價值小區識別模型”3個模型，通過模型測算給出了某移動可量化的10G PON口部署場景，有效提升千兆網絡建設精準性，且有力支撐市場千兆發展。同時本文的3個模型具有廣泛的適用性，可推廣至任意地區、任意運營商進行應用。

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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

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021259

2021?09?01；

2021?11?01

林銀（1990?），男，華信咨詢設計研究院有限公司通信工程師，主要研究方向為承載網通信技術。

覃曉霞（1973?），女，中國移動通信集團廣西有限公司高級工程師，主要研究方向為承載網通信技術。

王國棟（1984?），男，華信咨詢設計研究院有限公司通信工程師，主要研究方向為承載網通信技術。

韋書田（1991?），男，華信咨詢設計研究院有限公司通信工程師，主要研究方向為承載網通信技術。