光纤接入网FTTx成本模型及其应用

admin

摘要　本文提出了一种有线接入网的成本模型，可用于有线接入网建设时对采用各种接入技术和接入方案的成本比较，并通过对模型参数的量化分析，提出了接入网向FTTH/FTTB演进时的合理网络结构及光纤接入网组网模型。
1、引言
接入网建设是一个对业务、技术、成本十分敏感的领域，投资量大，建设周期长，技术经济风险控制困难。同时，接入网建设环境又十分复杂：同一个用户需求往往可以采取多种不同的接入方案，而各种建设场景的具体条件和用户发展的不确定性给多方案比对、选取带来了极大的困难，最终使得当前的接入网建设带有很大的盲目性，投资风险进一步加大。
本文从理论分析出发，结合实际工程应用的需要，提出了光纤接入网的成本模型，并通过对模型的实际应用举例，得出了接入网组网的一些原则和方法。
2、有线接入网成本模型
基本假设：存在任意有限大区域D（D为该区域的接入半径，即其几何中心至区域边界的最远距离），区域中用户数为N，且该区域内用户呈均匀分布，密度为P。欲在该区域内新建有线接入网，覆盖区域内全部用户，建设方案为：把该区域划分为多个接入区，每个接入区的接入半径为d，则接入网成本模型可按下面的方式建立。
2.1　覆盖方式的选择
主要考虑3种覆盖方式：圆形覆盖、正六边形覆盖和正方形覆盖，如图1所示。

图1　有线接入网的覆盖方式

可以认为，现实的接入网中，绝大多数接入区呈近似正方形。因此，本文取模型三为主要研究对象。
2.2　接入区内平均用户接入线缆长度的确定
现实接入网络中，两点间的用户线缆很少以直线相连。绝大多数情况下，用户管道将沿街道采取折线方式到达用户端。因此，引入直折比系数k0，有：用户接入线缆长度（L）=用户接入距离（d）/k0。

图2　正方形有线接入网覆盖方式

参考图2，有：

接入区内用户平均线缆长度：
经计算，当覆盖区域为正方形时，覆盖形状系数k1=0.54；现实网络中，k0一般取值为0.7～0.9。
2.3　有线接入网投资结构
总体上讲，接入网投资结构主要包括4大部分：接入线缆投资（C1）、接入机房投资（C2）、局端接入设备投资（C3）、用户侧投资（C4）。
（1）接入线缆投资
该部分投资与用户总数N用户平均线缆长度、用户线缆平均单价（k2中已包含管道投资分摊，W为收敛比）成正比：
关于的说明：收敛比W的引入是为了描述接入网中引入了光分配网络后的情况，参见图3。

图3　接入网中引入光分配网络

其中：x,y分别表示OLT至分光器以及分光器至ONU的光缆长度；Cx、Cy分别表示x段与y段光缆的单位长度造价；ηx、ηy分别表示x段与y段线缆的实占率。
（2）接入机房投资
接入机房投资与机房数量和机房单价k3相关：
（3）局端接入设备投资
C3=k4·N
k4为单位用户接入设备成本。
（4）用户侧投资
C4=c·N
c为用户侧单位成本。C3和C4与接入半径无关。
综上所述，接入网总投资为：

式（5）以最佳接入半径为假设条件，在实际建设中，接入端局一旦建成，其接入半径是固定的，无法随用户密度的增加而增加，此时令d取常数，则实际接入网每用户投资为：

3、成本模型在铜缆接入场景中的应用
对于上述成本模型，可以将传统基于铜缆方式组织的接入网相关参数放入模型中进行相关计算。根据工程经验及当前市场价格，取定：k0=0.7，k1=0.54，k2=220元/线对千米（含管道），k3=200 000元（含配套），k4=260元（宽带）+220元（窄带）=480元，ρ：1 000～10 000户/平方千米，W=1。
3.1　铜缆接入网的最佳值计算
根据式（3），可得到在不同用户密度下最佳铜缆接入半径，如图4所示。

图4　不同用户密度分布下铜缆最佳接入半径

计算出铜缆最佳接入半径后，可以进一步进行下述分析：
●将最佳接入半径代入式（5），此时，取k4=480元，表示用户同时具有宽窄带业务需求，取c=50米/户×　0.64元/米=32元/户，表示每户平均引入线投资32元，计算最佳接入半径下的接入网理论最小每用户投资；
●根据当前的实际铜缆接入半径：城市地区典型值为2～3 km（取值2.5 km），农村地区3～5 km（取值4 km），计算平均每用户投资，如表1所示。平均每用户投资和用户密度的关系如图5所示。

图5　铜缆接入方式下每用户投资和用户密度的关系

考察式（5）和（6），可将每用户投资分为3部分：局端设备投资、物理铜缆网络投资和用户侧投资。在上述计算中，局端设备投资及用户侧投资取定为常数，真正由最佳接入半径所决定的投资为物理铜缆网络投资。在有线接入网建设中，物理承载网部署具有一次部署、长期使用的特点，需要特别关注。因此，以表1为基础，扣除每户投资中局端设备投资（k4）、用户侧单位成本（c），可得出最佳接入半径下物理铜缆网每用户投资的情况，如表2所示。平均每用户物理铜缆网投资和用户密度的关系如图6所示。

表2　最佳接入半径与物理铜缆网每用户投资

图6　铜缆接入方式下每用户物理铜缆网投资与用户密度的关系

3.2　初步分析
根据对上述计算结果的简单分析，可以得出下面一些初步结论：
●在一定的用户密度和相关资源的价格体系下，电信接入网组网时存在最佳接入半径，并对应最小每用户投资。
●接入网的规划与设计可参考目标用户密度、业务需求和初期投资规模综合取定目标接入半径。
●当前网络主要基于铜缆提供窄带语音接入，但由于历史原因，其接入半径已经偏大，造成平均每用户铜缆接入成本偏高，即：“光进铜退”有利于节省投资。
●接入网建设成本控制需要综合多种关键因素。对于降低物理铜缆网络投资而言，减少路由迂回（提高k0值），接入点部署到用户密度中心（降低k1值），节省机房综合造价（降低k3）和提高缆线利用效率（降低k2/W），大力发展用户（提升p值）等都有不同程度的帮助。且在一定条件下，上述因素基本符合式（5）所描述的数量关系。
4、基于光纤的接入网络对比研究
根据有线接入网成本模型，只需对相关参数进行相应的修改和调整，就可以直接应用到FTTH、FTTB、FTTC、FTTN等相关技术的组网方案中。对于基于PON的接入系统，也可以将考虑分摊比后的k2/W参数纳入模型统一考虑，从而可对未来接入网引入光纤媒介后的组网模式及成本影响关键因素做出量化评估。
4.1　方案定义
接入网中引入光纤媒质后，根据光纤与用户的距离不同，可分为以下几种方案：FTTH（光纤直接到家）、FTTB（光纤到大楼，铜线与用户间的平均距离取50 m）、FTTC（光纤到路边，铜线与用户间的平均距离取150 m）、FTTN（接入点下沉，铜线与用户间的平均距离取500 m）。
4.2　新建场景
对于大面积新建的场景（如开发区等），取一定的用户密度（对城市地区来说，取典型值3 000用户/平方千米）。此外，对于FTTH、FTTC、FTTB等方式考虑采用PON系统建设ODN，可大幅降低光纤部分每用户投资（据测算，考虑1:32分光比情况下，k2/W值迅速下降到1.5～40元/用户千米左右），根据“成本模型”中最佳接入距离公式（3）的计算结果，采用FTTx方式接入后，单局点最佳覆盖范围可扩大到1.2～3 km。
考虑到现网上大量端局的覆盖距离也正好处于上述最佳覆盖距离范围之内，可以充分利用现有机房进行FTTx的建设，有效节省建设投资。
在此前提下，依据式（5）计算各方案最小投资，结果如图7所示。

图7　新建场景下各种接入方式最小投资比较

4.3　改造场景
考虑到现网中已经布放了大量铜缆，在FTTB、FTTC、FTTN这3种方式中，可以对相应部分的铜线资源进行利旧，有效节省建设资金。具体的计算方法是：在上述新建场景中扣除FTTx中铜线资源的投资，就可以相应计算出改造场景下不同方案的建设投资，结果如图8所示（在改造场景中不考虑FTTH方式，因其改造成本相当于新建成本，不具比较意义）

图8　改造场景下各种接入方式最小投资比较　

4.4　初步分析
接入网成本受众多因素的影响，需要全面关注接入光缆网网络布置、接入设备和器件、用户侧设施等多个方面，才能有效降低接入网成本（接入网成本控制不存在决定性因素，需要建设者全面关注各个方面）。
接入技术发展到现阶段，基于铜线的接入方案在成本和带宽方面均已处于劣势，今后应加快停止新建铜缆建设，用户引入线改用五类线或直接采用光纤引入。
光纤进一步向用户延伸的过程，新建场景下可以跳过FTTC/FTTN方式，直接实现FTTB或FTTH（需解决维护问题）。
改造场景下，充分利用原有铜缆资源，有利于节省建设投资（前提是铜缆长度必须满足业务发展的需要）。
接入网可以大体分为节点设施和管道线缆两大部分。节点设备3～5年即可替换；相对而言，接入光缆网络建设和用户家庭布线构成未来接入网建设的战略投资，在网络即将全面向FTTx演进的大背景下，需要重点关注和研究以下方面：
●在接入光缆网方面，光纤网层次结构、覆盖范围、规划方法、使用原则以及ODN网络部署原则研究意义重大；
●在用户家庭布线方面，建议加强针对性研究，提出几种典型的家庭布线方法、原则和实例，结合建设部发布标准，采用信息家庭品牌包装，使运营商品牌和适合电信网络特点的家庭布线格局提前占领用户家庭。
5、接入光缆网建设的考虑
5.1　节点设置原则
基于PON系统的光纤接入网，主要节点设施包括OLT、分光点、ONU和家庭网关。
假定未来的新建设场景下，将主要采用FTTB和FTTH方式进行建设。此时，ONU和家庭网设置在用户端，OLT和分光点的设置原则成为本文研究的重点。
5.1.1　OLT设置原则
根据前述模型计算的结果，FTTB和FTTH单个接入区的接入半径分别为1.2 km和2.2 km左右。其原因是：PON系统的引入大幅降低了每根光纤分摊到每用户的成本，对于一定的机房投资而言，可以通过部署相对更大的接入半径，以相对低廉的每用户每光纤成本，换取更大的覆盖范围和更多的接入用户量，摊低单个接入机房及配置设施投资。
反过来讲，如果把OLT设置到用户小区或大楼，将面临如下困难：
●OLT覆盖用户数减少，利用率提高相对困难；
●机房数量巨大，城区机房（有源节点）获取成本极大，每户投入成本迅速上升；
●OLT上连到端局将占用大量光纤和管道资源，现有网络资源面临迅速被耗尽的危险；
●全网实施后，运营维护成本巨大，难以接受。
因此，本文认为OLT设置应放在现有端局，并保持单个OLT机房约2 km左右的接入半径。
5.1.2　分光点设置原则
（1）分光次数的选择
对于PON系统而言，可以考虑采用一级分光、二级分光，一般不建议三级以上分光。
如果网络向FTTH和FTTB过渡，建议在城区光纤网络上统一采用分光点集中设置的一级分光模式，原因如下：
●每条链路只有一个分光点；
●链路衰耗较小；
●在分光一致性上更容易控制；
●一级分光在物理链路上相对简单，更为可靠；
●从光网络管理的角度来讲，对于集中的分光点，维护和故障检测较简单；
●入户光纤直接集中于光纤分配点；
●一个PON端口可覆盖的范围最大，PON端口可以根据接入用户数增加而逐步扩容。
（2）分光点位置的选择
如果采用一级分光，分光点设备位置的选择需综合考虑两方面的因素：光分路器越靠近用户，越能有效减少对主干、配线光缆的占用，每用户线路成本越低；光分路器越靠近局端，单个分光点的覆盖范围就越大，更加有利于提高建网初期的资源利用率并实现集中维护。
为了确定分光点适当的设置位置，考察图3和式（1）。
在ODN采用一级分光的前提下，为了简化计算，不失一般性，设：ηx=ηy=1，w2=1，并令y=1（单位长度），此时x即代表分光器到OLT的距离与分光器到ONU的距离的比值（即：x/y），则有：

式（7）中：cx为x段光缆（主干光缆）每芯成本，取cx=560元；
cy为y段光缆（主干光缆）每芯成本，取cy=620元；
w1为分光比，一般取值为2～32。
以x为因变量，做出k2/W的函数曲线如图9所示。

图9　分光器设置位置对单位用户线缆成本的影响

从图9可以看出：在一定的分光比范围内，只需维持x≥10，即可在ODN网络中有效降低每用户单位纤芯千米成本。即：分光器到OLT距离：分光器到ONU距离≥10:1。
在本文前面部分已经证明，FTTH或FTTB接入半径应保持在2 km左右，充分利用原有端局组网。此时，覆盖区域内用户线缆平均长度为：

因此，在一个接入半径约为2 km的端局范围内，分光点设置的位置与ONU的平均距离应保持为：
1.54×1000÷10=154 m
现实场景中，按正方形区域考虑，如果分光点可以设置在分光区的几何中心，同理可算出该分光点覆盖的分光区最大半径应为200 m左右（按前述定义，200 m指的是对角线距离），此时，相应正方形分光区的面积为8×104 m2。
5.1.3　节点部署原则
OLT的设置应尽量利用现有端局机房，最好位于接入网主干光缆（环）上（原有机楼或大接入点），接入半径约为1.5～2.5 km。
应尽量采用一级分光，分光点的位置尽量保持在距离ONU节点最远距离为200 m以内。此时，所覆盖的分光区面积约为6×104～8×104 m2。
5.2　城区接入光缆网参考模型及搭建步骤
5.2.1　城区接入光缆网基本特征
随着采用PON技术的FTTB和FTTH建设模式在热点地区的规模部署，电信接入网将向全光纤网络方向过渡，接入光缆网应采用综合、统一的物理承载并实现自然有序的演进。
未来的接入网光缆要实现以上目标，应具备以下特点。
●接入网光缆结构简单清晰。
●接入网光缆主体结构应保持一致性，指各种接入方式的差异性尽量放到接入网光缆结构的末梢实现，即：在未来的全光接入网中，所有业务用户（普通用户、政企客户、SLA客户、移动基站以及其他接入用户）的接入都需要通过城域光纤网提供物理承载。此时，保持光纤接入网主体结构的一致性，就成为光纤接入网自然有序发展的前提条件。
●接入光缆网主干以树形结构为主。随着FTTH和FTTB的规模化发展，接入光缆将变得像铜缆一样普及。在这种形势下，接入主干光缆采用树形结构，一方面能解决建设进度和分期建设的问题，可以不必在一期工程中就按照环形结构施工，从而大大提高部署进度，满足用户快速发展的需求；另一方面，采用树形接入主干结构也能够很好地实现接入主干线路的保护，同时可以更好地实现配线光缆保护。
●接入网光缆要制定统一的命名规范和相应的纤芯使用原则并严格执行。
5.2.2　接入光纤网模型及搭建步骤
接入光纤网模型如图10所示。

图10　城区接入光纤网参考模型

接入光纤网模型搭建步骤如下。
●进行目标接入区整体规划。在全网范围内，选定目标接入点，每接入点单独接入半径约2 km左右，以此划分目标接入区。多个目标接入区实现对目标网络的无缝覆盖。
●在每个目标接入区内，按6×104～8×104 m2/片区（或500～2 000用户）连续划分接入区，形成若干光交接片区。靠近片区用户密度中心设置光交接箱，作为该片区内FTTB接入的分光点；对于片区内的FTTH用户和其他接入用户，片区交接箱仅作配线处理，不进行分光操作。
●对于片区内的FTTH用户，从片区交接箱引出光缆到户楼道，设置楼宇光接箱/FTTH分光点，接入用户。
●接入网中引入ODN后，出局光纤数量将大大减少，大量光纤将出现在接入网的末端。因此，楼宇光交接箱在数量上超过片区光交接箱的同时，容量上也将出现超过片区交换箱的趋势。
6、关于模型应用可靠性的说明
本文首次尝试采用统一的接入网成本模型作为接入网组网演进路径选择的依据，在数学模型指导的基础上，借助一些工程经验参数进行计算，得出了一些初步结论，可作为今后接入网网络建设的参考。
但是，现实的网络实践是十分复杂的，具体的网络建设受到诸多环境因素的制约，不可避免地与理论模型存在一定的偏差，甚至对于该模型是否真地能与实际工程应用结果大致吻合都值得怀疑。对此，有以下两点需要说明：
●为了掌握模型预测结果与实际工程实施情况的偏差，作者邀请了2位广州的同行以国内实际完成的2个实际工程（分别为广东某FTTH工程和武汉某FTTB工程）为例进行了对比分析，对比分析的结果是：在统一的计算口径下，两项工程实际每用户造价与理论模型计算的最小成本间的偏差在15%以内。作为工程计算而言，可以认为该偏差位于可接受范围内。同时，也欢迎有兴趣的读者结合自身的工作实践，对模型中不完善之处提出批评指正。
●可以预见，基于一般化的模型参数取值（如k0、k1，等）计算所得的预测结果，应用到某一特定工程实践中时，发生偏差是必然的。但所有可能的接入网组网方案采用同一模型进行分析后，各种组网方案受到的误差影响却是趋同的。因此，有理由相信：本文前面对不同接入技术组网方案中每户平均成本分析的相对结论成立的可能性要比其与某个工程实施结果对比分析的准确性更高一些。即：通过本模型得出的相对性结论的可靠性更高，可以作为在同一应用场景下不同技术组网方案比对的参考。