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        FTTH建設(shè)項目能耗評估方法與模型研究

        2012-06-27 05:59:34莊湛海
        電信科學(xué) 2012年9期
        關(guān)鍵詞:板卡功耗能效

        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(jì)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(xì)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī),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(jī)滿載功耗;PLMT-OLT是OLT整機(jī)功耗限定值,其計算如式(4):

        其中,PLMT-OLT是OLT滿配時整機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(fù)載下的設(shè)備功耗,計算網(wǎng)絡(luò)平均加權(quán)功耗并進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(kuò)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(jī)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(jìn)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(jì)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

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