精細化模型與大數據分析在城域網網絡規(guī)劃中的應用

葉春 高智科

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

隨著城域網網絡架構縱向的延伸和橫向的廣覆蓋，網絡規(guī)模急劇擴張，業(yè)務需求的測算和建設方案的制定難度越來越大，城域網網絡規(guī)劃也面臨實際的困難。例如以往對于城域網的網絡規(guī)劃和可研工作僅統(tǒng)計總建設數量，根據市場部門提供的需求、廠家提供的集采價格就能估算出建設方案和投資規(guī)模，這樣往往會存在盲點，導致網絡規(guī)劃和可研的結果與實際工程實施時的結果差異較大，對工程的指導意義不大。

為提高城域網的網絡規(guī)劃的準確性，本文引入精細化模型測算的概念，結合海量的運營數據分析，通過精細化的傳輸模型測算提高測算成果的準確性，切實指導實際建設項目的實施。

1 精細化測算模型

表1 單個接入環(huán)的組成明細表

首先對移動傳輸設備建立模型，這些模型包括在城域網核心層、匯聚層、接入層的PTN設備，如表1所示，單個接入環(huán)2G、3G、4G、集客、OLT流量測算公式如下：

（1）4G流量=新增4G站點數×80M+（多載波聚合疊加D×80M+多頻點疊加擴容D2×160M）×0.6；

（2）2G流量=新增2G站點數×10M；

（3）3G流量=新增3G站點數×18.47M

（4）集客流量=集客數量×14.3M

（5）OLT流量=OLT數量×100M

根據以上規(guī)則對單個接入環(huán)建立如下流量相關數學模型：

綜合公式1到公式5，單環(huán)的流量最后可用矩陣的形式表示為公式6。

其中[N]為4G、D、D2、3G、2G、集客、OLT數量的矩陣，[M]為4G、D、D2、3G、2G、集客、OLT流量參數的矩陣。

對于不同年份的流量采用增量建模，例如：

2016年環(huán)網總流量=2015年環(huán)網流量+2016年環(huán)網新增流量，公式表達為：

其中ΔFnew仍然采用公式6計算，其中[N]為新增設備數量矩陣。

2 應用與分析

2.1 PTN投資規(guī)模應用

如表2所示為第N年PTN接入層部分匯總，接入層匯總通過統(tǒng)計每個地州的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農村系統(tǒng)單環(huán)數量和環(huán)網節(jié)點數量、2G/4G站點數量、集客數量、OLT數量的現狀和新增數量的明細得出。根據流量測算公式6算出第N年環(huán)網總流量，表3是第N+1年PTN接入層部分新增匯總。

表2 第N年PTN接入層部分匯總表

接入層優(yōu)先考慮疊加GE環(huán)，建設分兩種情況：根據建設經驗，接入環(huán)上的站點為6-8個，因此接入環(huán)的數量根據每年新增的4G站點數量而得：4G站點數/7；帶寬測算為流量模型測算：

（1）若接入環(huán)測算帶寬＞0.7G，優(yōu)先考慮疊加GE環(huán)，擴容環(huán)上所有PTN設備GE板件，考慮板件利舊，GE板件數量按需求的50%考慮，即單環(huán)新增GE板件數量=新增GE環(huán)環(huán)上節(jié)點數×2個方向×實際利舊的比例。

（2）若接入環(huán)測算帶寬≥1.6G，升級該環(huán)為10GE環(huán)，由于現網接入環(huán)上的設備大部分均為GE PTN設備，因此升級10GE環(huán)所需的10GE PTN設備全部新建。新增10GE PTN數量=升級10GE環(huán)數量×節(jié)點數量。

最后，算出每個地州擴容和新增的設備投資，確定第N+1年接入層PTN建設規(guī)模的總投資。

根據以上規(guī)則對接入層建立如下數學模型：

綜合公式8至公式11可以得出接入層的總投資為：

表3 第N+1年PTN接入層部分新增匯總表

匯聚層PTN和接入層PTN考慮方法一致，匯聚環(huán)則優(yōu)先考慮疊加10GE環(huán)，建設方案分兩種情況：

若匯聚環(huán)測算帶寬＞7G，優(yōu)先考慮疊加為雙10GE環(huán)，環(huán)上所有PTN設備擴容10GE板件，由于現網匯聚層的10GE板件大多采用低密度板件，因此需擴容的10GE板件全部新增；

若匯聚環(huán)測算帶寬≥16G，升級該環(huán)為100GE環(huán)，由于現網的設備基本不支持100GE端口，所有該環(huán)上的所有100GE PTN設備新增。

表4為第N+1年PTN匯聚層部分新增設備參數明細匯總。

根據以上規(guī)則對匯聚層部分建立如下數學模型：

表4 第N+1年PTN匯聚層部分新增匯總表

核心層PTN：按與省干對接的端口需求擴容核心層設備板件，新增10/100G板卡數量，根據現網L3設備和L2/L3設備的數量進行擴容。表5為城域傳送網PTN核心層第N年及第N+1年匯總。

表5 城域傳送網PTN核心層第N年及N+1年匯總表

根據經驗值及對核心層部分建立如下數學模型進行測算：

綜合以上分析，PTN的投資可以用以下公式

2.2 大數據最優(yōu)化迭代分析

針對PTN的投資與網絡的精細化的流量分析基礎上，可以建立如下最優(yōu)化模型：

最優(yōu)化模型第一條目的在于最小的投資下取得最大的流量規(guī)模，第二條是約束條件，規(guī)劃的流量必須滿足實際的流量需求。為取得規(guī)劃的最終優(yōu)化，必須在海量流量數據的基礎上進行大數據分析，在以上最優(yōu)化模型的基礎上，結合已有歷史流量數據的大數據分析，可以提高對PTN測算成果的準確性，具體方法如下：

針對第二條約束條件規(guī)劃的流量必須滿足實際的流量需求，需要實現流量趨勢預測，預測流量未來一段時間的流量趨勢。根據前面的流量模型公式1.7，流量是與時間相關，可用時間序列預測模型，建立流量預測模型過程如下：首先，對已有的海量流量時間序列數據進行平穩(wěn)性檢測，如果不平穩(wěn)，需對數據進行差分處理得到平穩(wěn)數據，對數據符合哪類時間序列模型進行識別，識別模型屬于AR（自回歸）、MA（移動平均）和ARM A（自回歸移動平均）中的哪種模型，通過BIC信息準則對模型定階，確定ARIMA模型的p、q參數，再對模型做相關檢測，對通過檢測的模型采用極大似然估計方法進行模型參數估計，最后應用模型進行流量預測，將實際流量與預測流量做誤差分析，如果誤差較少，則完成模型，可用模型深度預測流量波動和長期趨勢。另外對新增數據、語音、視頻流量需求還可建立其他模型，進而從其它維度預測流量波動和趨勢。

完成流量預測的基礎上，對于最優(yōu)化模型第一條求解最小的投資下取得最大的流量規(guī)模，也就得到多個節(jié)點、多個系統(tǒng)環(huán)、多個平面最佳組合。為了得到全局最優(yōu)解，優(yōu)化方法選擇批量梯度下降法和隨機梯度下降法，得到接入層、匯聚層及核心層在利舊、擴容、新建、裂環(huán)、疊加環(huán)、升級的最佳組合。

2.3 對工程實施的指導作用

通過上述測算分析過程可以發(fā)現在工程實施過程中，城域網核心層-匯聚層-接入層的網絡架構中的每個節(jié)點是否需利舊、擴容、新建，每個系統(tǒng)環(huán)是否需改造升級都能精確到設備的每一塊板卡甚至每個端口；對于匯聚層和接入層帶寬需求（GE、10GE、100GE）是否裂環(huán)、疊加環(huán)、升級，如何精細化測算模型也能給出最直接的判斷分析；再結合大數據分析，對新增數據、語音、視頻流量需求也能合理地進行預測分配，避免“潮汐效應”導致業(yè)務不均衡，提高網絡資源利用率；從客戶感知層面來看，流量經營效率和質量提升的重點考慮因素應該著重在上網速度、網絡覆蓋、其他因素三個方面。精細化測算模型能分析出現網網絡節(jié)點、組網方式老舊業(yè)務及不合理問題，提供給IP城域網專業(yè)人員分析該如何梳理業(yè)務，增加城域網出口帶寬。

總之，精細化測算模型結合大數據分析能為工程施工解決多個節(jié)點、多個系統(tǒng)環(huán)、多個平面的問題。

3 結論

針對城域網網絡架構的日益擴大，本文討論了城域網網絡規(guī)劃建設規(guī)模的精細化測算模型，并結合大數據分析，為解決城域網的工程實施問題提供了參考依據，提升網絡評估指標體系，如網絡結構、網絡能力、網絡安全、業(yè)務承載的合理性。