FTTH建設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.廣州優億信息科技有限公司 廣州510630）

1 前言

隨著經濟的發展，能源問題日趨緊張。一方面，能源消耗帶來的排放導致環境、氣候等發生變化；另一方面，能源價格日趨上漲，給各行業帶來成本的壓力，因此節能減排成為當前一個重要的問題。我國在《“十一五”規劃綱要》中提出節能減排的重要目標，并作為考核各級政府工作成績的重要指標，國內各通信運營商也開始重視節能減排相關工作。

研究表明，接入網的能耗占整個通信網絡能耗的比重很大，是通信網節能減排的重點之一。隨著我國寬帶業務的發展，FTTH已逐漸成為接入層網絡的目標接入方式。經過幾年的發展，FTTH網絡逐漸龐大，能耗占有率也越來越高，但現網中的能耗分布情況始終沒有得到詳細的統計和分析，本文通過對FTTH建設項目能耗影響因素的研究和分析，建立了FTTH網絡能耗模型，直觀體現FTTH網絡的能耗狀況并進行分析，可為運營商實施節能降耗提供參考。

2 FTTH建設項目能耗影響因素與能效評估

2.1 能耗影響因素

FTTH建設項目中的網絡能耗主要包括OLT和ONT設備能耗以及放置OLT的機房所涉及的電源轉換、空調等基礎設施的能耗，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：一是設備傳送業務，即正常工作的設備能耗，另一個是為保證OLT正常工作帶來的機房制冷、照明等能耗，本文重點研究主設備能耗。此外，網絡結構也會對設備運作能耗產生一定的影響，主要表現在OLT的布局、覆蓋用戶的模型和實裝率上，在后文的討論中，網絡結構對能耗的影響會體現在OLT和ONT能耗的計算中。

OLT設備能耗主要由公共模塊能耗和用戶模塊能耗構成。公共模塊包括主控單元、風扇單元和上行板卡，由于大多數設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定，在設備配置和工作溫度確定后基本不變；風扇單元設置為自動模式時，隨著溫度的變化可自動調換檔位，從而引起功耗變化；上行板卡的功耗區別主要在于是上行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的數量影響。用戶模塊是指下行的PON板卡，包括EPON業務板和GPON業務板，這些板卡只要PON口下掛一個ONT就必須正常運轉，消耗電能。研究表明，目前OLT設備單個PON口下掛的ONT數量對PON口的功耗影響不大，ONT數量對功耗的影響主要表現在對PON口數量的影響上，從而對設備功耗產生影響；業務流量也會對功耗產生一定的影響，但這種影響可以控制在很小的范圍內，因此計算功耗時可忽略。因此，OLT功耗情況主要受用戶數、用戶平均分配帶寬和設備所處環境溫度影響。

局端OLT能耗計算如式（1）：

ONT是一個一體機，由于用戶端設備千差萬別，功耗也各不相同，計算FTTH網絡能耗時，通常根據網絡使用的主流ONT功耗取平均值。

FTTH網絡能耗為：

其中，N表示單個OLT下掛的ONT數量。

2.2 FTTH建設項目能效評估方法

能效評估方法用來衡量FTTH建設項目的能效狀況，分別用OLT設備能效指數和網絡能效評估衡量。

2.2.1 OLT設備能效指數

PON口平均功耗是衡量xPON OLT設備節能水平的重要指標。

OLT能效指數可由式（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務端口的功耗值，參照中國通信標準協會下發的《接入網設備節能技術要求和測試方法_EPON系統(報批稿)》和《接入網設備節能技術要求和測試方法_GPON系統 (報批稿)》，PLMT-PON取值為11 W，當OLT支持吉比特以太網上聯接口時，每增加一個吉比特以太網端口，整機功耗可增加4.5 W；當OLT支持萬兆以太網上聯接口時，每增加一個萬兆以太網端口，整機功耗可增加18 W。PLMT-uplink為OLT額外上聯口允許增加的功耗值。

根據EOLT-PON的值為OLT分級，能效最高等級為1級，能效等級越高，代表設備的節能效果越好。能效等級與能效指數的分類關系見表1[1,2]。

表1 能效等級與能效指數的分類關系

2.2.2 網絡能效評估方法

在進行網絡能效評估前，首先需要計算FTTH網絡功耗。根據能效評估范圍的不同，網絡功耗可以是整網網絡功耗，也可以僅是局端設備功耗。網絡功耗計算采用加權算法，是綜合了設備業務能力和不同工作狀態下能耗水平的一個計算值。工作狀態包括設備的滿載狀態、半載狀態和空載狀態等，計算網絡功耗時，取不同狀態下所測定的功率并按照不同權重合成。

網絡加權功耗PTotal計算如下：

其中，Pmax是設備滿載的功耗，P50是半載功耗，Psleep是待機或空載輸入功率[3]。各功耗權重值適應設備不同的利用率，是根據通信設備在網運行的知識和經驗得到的。

根據網絡加權功耗PTotal，從兩個方面評估FTTH網絡能效。

（1）用戶平均加權功耗

用戶平均加權功耗是總加權功耗平均到每個用戶的功耗值，定義為：

其中，PFTTH-user反映了網絡用戶的平均功耗情況。一般來說，PFTTH-user越小，表明網絡中單個用戶的能耗越低，FTTH網絡能效就越高。如果PFTTH-user滿足式（7），則設備具有較好的能效，能滿足網絡對能效的要求。

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

Verizon接入網絡能效定義為：

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

（2）用戶平均帶寬加權功耗

用戶平均帶寬加權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絡能耗，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更大的帶寬。

3 FTTH建設項目網絡能耗模型研究

3.1 網絡能耗模型結構

FTTH建設項目網絡能耗模型部署如圖2所示。

能耗模型系統采用B/S結構，前臺采用面向對象的開發語言 Java，數據庫采用MYSQL，服務器采用 Tomcat。該模型系統可以運行在中文Win2000/WinXP/Win2003/Win7/Linux，具有 1 GB及以上內存，250 GB及以上硬盤，服務器端需要運行MYSQL數據庫和應用服務器。

FTTH建設項目網絡能耗評估模型需要實現的基本功能包括：靜態評估、動態評估以及相應評估數據的歷史記錄查詢。具體功能模塊如圖3所示。

（1）靜態模型管理

完成靜態模型評估和靜態模型列表功能。靜態模型評估根據輸入的設備參數和用戶數量，計算設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的數量和功耗情況，以圖形化界面顯示功耗分布情況并對節能前后的功耗情況進行比較，最后根據設備功耗情況提出相應的節能建議措施，并將結果保存在數據庫中。靜態模型列表存儲靜態評估模型歷史數據以供用戶查詢。

（2）動態模型管理

完成動態模型評估和動態模型列表功能。動態評估模型根據現網測試得到的不同負載下的設備功耗，計算網絡平均加權功耗并進行評估，包括全網加權功耗、OLT設備加權功耗、用戶平均加權功耗和用戶平均帶寬加權功耗等。動態模型評估既能只針對局端OLT設備，又能針對全網進行能效評估，將結果用表格和圖形的形式展示在界面，最后根據能效評估情況提出相應的能效提升建議，并將結果保存在數據庫中。動態模型列表存儲動態評估模型歷史數據以供用戶查詢。

3.2 網絡能效評估模型系統

3.2.1 靜態模型管理

靜態模型輸入界面包括網絡基本信息、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量等，如圖4所示。模型系統根據這些參數進行相應的計算和分析。

其輸出界面如圖5所示。輸出界面直觀展示網絡設備公共模塊的實際配置狀況，并計算能耗最低的設備功耗及其配置情況，即當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口和單板數量；利用一臺設備滿配后增加另一臺設備的原則遞增

OLT設備數量時，結合相應的節能技術方案，關斷空閑的板卡和端口，設備功耗達到最低。模型同時計算得到不采用節能技術方案時的設備功耗，并將兩者相比較，提出節能建議措施。

靜態模型管理同時以圖形化界面輸出OLT設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。

由于現有FTTH節能技術方案主要針對空閑板卡和空閑端口實現，因此當設備滿配置時，節能前后功耗差別不大，如圖6(a)、(b)所示。設備未滿配置時，以某節點OLT設備為例，該節點設備放置在城市CBD區域，下掛用戶數量為952個，為了滿足網絡擴展的需要，設備用戶板卡滿配置，各用戶分散在不同的用戶板卡和端口，因此，整個設備功耗跟設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，占設備總功耗的85%，如圖6(c)所示。若采用建議的節能技術方案，用戶板卡的總功耗下降為252.1 W，占設備總功耗的74%，節省了11%的能耗；由于設備所處機房的溫度恒定，因此風扇板功耗差別不大，如圖6(d)所示。

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

3.2.2 動態模型管理

動態模型管理根據現網測試得到網絡滿載、半載和空載時的實際功耗，并根據網絡各狀態所占權重計算網絡動態功耗狀況。動態模型輸入界面如圖8所示。

根據輸入值計算得到全網、OLT設備以及用戶和用戶平均帶寬的加權功耗，并以此衡量網絡能效，輸出界面如圖9所示。

4 結束語

本文研究了FTTH建設項目的網絡能耗分布及影響能耗的主要因素，結合FTTH網絡的特點，建立了FTTH建設項目的能效評估體系和評估算法，開發了FTTH建設項目的網絡能效評估系統模型。該模型從靜態、動態兩個維度對FTTH網絡能耗進行評估，分析得到相應網絡能耗、能效情況，可以清晰了解網絡節能空間，從而更好地幫助運營商制定FTTH網絡的節能減排措施，減少網絡運營的耗電量，降低成本支出，提高經濟效益。

1 中國通信標準化協會.接入網設備節能技術要求和測試方法_EPON系統（報批稿）.YDB 067-2011,2011

2 中國通信標準化協會.接入網設備節能技術要求和測試方法_GPON系統（報批稿）.YDB 068-2011,2011

3 Verizon.通信設備的能效要求.VZ.TPR.9205,2012