一種基于類矩形分布模型結(jié)合熱力圖的 市區(qū)政企傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

南蜀崇，陳騁，練汛彪，汪晗

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

政企集團(tuán)客戶專線業(yè)務(wù)是通信運(yùn)營(yíng)商未來主要的盈利點(diǎn)之一，但政企集團(tuán)客戶分別從用戶規(guī)模、單業(yè)務(wù)帶寬、承載形式、業(yè)務(wù)時(shí)延及服務(wù)功能等提出了更高的差異化需求[1]，對(duì)業(yè)務(wù)品質(zhì)提出了更高的要求。

當(dāng)前，面向政企集團(tuán)客戶專線業(yè)務(wù)存在主觀性強(qiáng)、變量多、不確定性大、突發(fā)性強(qiáng)、客戶需求多變等因素。傳統(tǒng)的政企集團(tuán)客戶專線業(yè)務(wù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)采用線性建設(shè)流程，即當(dāng)通信運(yùn)營(yíng)商接收政企集客業(yè)務(wù)需求后，首先對(duì)各層級(jí)的傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源核實(shí)，再根據(jù)核實(shí)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的物資采購及設(shè)計(jì)，最后根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。由此導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期長(zhǎng)，不利于業(yè)務(wù)快速開通。傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不適用于政企集團(tuán)客戶業(yè)務(wù)，亟待一種面向該類業(yè)務(wù)的新型傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)方法。

文獻(xiàn)[2]提供了一種部署至重要匯聚層的VC-OTN（VC cross-connecting function with optical transport network）系統(tǒng)，其通過組建接入層客戶前置設(shè)備（customer premise equipment，CPE）環(huán)或CPE直接掛接至匯聚層方式實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]中提供了兩種基于VC-OTN系統(tǒng)的集客專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，分別為利舊原有OTN光層建設(shè)以及新建光層、電層組網(wǎng)，但兩種方案均考慮布放至區(qū)縣的匯聚層。文獻(xiàn)[4]提供了4種場(chǎng)景，分別為接入層同步數(shù)字體系（synchronous 2igital hierarchy，SDH）對(duì)接VC-OTN、VC-OTN端到端、分組傳送網(wǎng)（packet transport network，PTN）+VC-OTN以及混合組網(wǎng)方式。但針對(duì)VC-OTN端到端并未說明以哪種建設(shè)節(jié)奏和原則部署。文獻(xiàn)[5]從存量的SDH業(yè)務(wù)遷移角度出發(fā)，結(jié)合利舊現(xiàn)有城域OTN結(jié)構(gòu)+新建城域OTN規(guī)劃角度對(duì)VC-OTN進(jìn)行部署。

本文提供一種類矩形分布模型結(jié)合熱力圖的政企傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。通過分析高價(jià)值政企客戶特性出發(fā)和典型市區(qū)分布特征，搭建典型市區(qū)內(nèi)綜合業(yè)務(wù)區(qū)、機(jī)房以及客戶點(diǎn)仿真環(huán)境。基于客戶點(diǎn)-業(yè)務(wù)點(diǎn)接入距離判定，構(gòu)造一種類矩形分布的單VC-OTN節(jié)點(diǎn)覆蓋模型，通過類覆蓋率面積映射相關(guān)性算法，確定一定覆蓋率需求的理論最小部署規(guī)模等約束條件。分析多VC-OTN節(jié)點(diǎn)的客戶點(diǎn)覆蓋率影響因素，提出結(jié)合熱力圖的2種部署策略。并通過仿真模型探究不同影響因素和部署策略對(duì)VC-OTN系統(tǒng)部署效益的影響。

1 政企傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)及客戶模型

1.1 高價(jià)值政企客戶特性

5G、家庭寬帶等業(yè)務(wù)，是由運(yùn)營(yíng)商基于自身市場(chǎng)發(fā)展需求自我明確網(wǎng)絡(luò)部署的范圍、區(qū)域以及建設(shè)目標(biāo)，因此能夠有規(guī)劃、有節(jié)奏地逐年建設(shè)傳輸網(wǎng)絡(luò)。但政企集團(tuán)客戶專線業(yè)務(wù)的電路局向、業(yè)務(wù)接入點(diǎn)等是每個(gè)政企集團(tuán)客戶自行決定的，因此該類業(yè)務(wù)的規(guī)模、位置、容量等存在較大的不可預(yù)見性，使政企傳輸網(wǎng)絡(luò)很難提前部署。一方面，若提前在全部節(jié)點(diǎn)部署，則可能出現(xiàn)無業(yè)務(wù)承載、設(shè)備空載等情況，投資效益差；另一方面，若不提前部署，則當(dāng)業(yè)務(wù)需求觸發(fā)時(shí)難以快速開通，影響市場(chǎng)發(fā)展。

高價(jià)值政企客戶作為最高級(jí)別的集客專線客戶，其主要特性如下。

· 安全性高：需要?jiǎng)傂詭拰＞€，要求自身業(yè)務(wù)與其他業(yè)務(wù)保持剛性帶寬隔離。

· 開通速度快：以政務(wù)、金融、醫(yī)療為代表的高價(jià)值客戶通常需要在數(shù)天至數(shù)周內(nèi)開通專線業(yè)務(wù)，提供給運(yùn)營(yíng)商的建網(wǎng)時(shí)間非常短。

· 需求變化頻繁：專線業(yè)務(wù)點(diǎn)位均由客戶自行決定且點(diǎn)位需求多變，存在較大人為因素及隨機(jī)性。

因此，考慮高價(jià)值政企客戶的特征，本文將對(duì)市區(qū)全部綜合業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)采用離散均勻分布模型。

1.2 政企傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

政務(wù)、金融、醫(yī)療三大行業(yè)，占據(jù)著高價(jià)值專線 60% 以上的市場(chǎng)，是政企市場(chǎng)的龍頭行業(yè)，受到了運(yùn)營(yíng)商重點(diǎn)關(guān)注[1]。VC-OTN系統(tǒng)是政企傳輸網(wǎng)的主流技術(shù)之一，通過融合VC交叉功能的OTN技術(shù)，解決SDH大帶寬演進(jìn)問題以及OTN小顆粒承載能力不足的問題，具備滿足多種業(yè)務(wù)速率要求的統(tǒng)一交叉能力[6]。VC-OTN實(shí)際僅部署到市/縣重要層，相對(duì)于已部署的SDH系統(tǒng)，需接入的匯聚節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少且難以快速滿足所有政企業(yè)務(wù)接入需求?，F(xiàn)階段的VC-OTN系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 VC-OTN系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 市區(qū)綜合業(yè)務(wù)區(qū)模型

市區(qū)區(qū)域主要由多個(gè)綜合業(yè)務(wù)區(qū)緊密組合而成，雖然大多綜合業(yè)務(wù)區(qū)由于人為劃分、地形等因素呈現(xiàn)各類不規(guī)則多邊形，但是典型的綜合業(yè)務(wù)區(qū)往往結(jié)合市區(qū)城市道路交通呈現(xiàn)為方格型。密集城區(qū)綜合業(yè)務(wù)區(qū)覆蓋面積為2～5 km2[7]，綜合考慮市區(qū)綜合業(yè)務(wù)區(qū)平均面積情況，搭建典型的市區(qū)綜合業(yè)務(wù)區(qū)大小為2 km×2 km、面積為=4km2的方形區(qū)域。則市區(qū)總綜合業(yè)務(wù)區(qū)面積可表示為S(N )=n ·，其中，n為市區(qū)綜合業(yè)務(wù)區(qū)數(shù)量。且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃業(yè)務(wù)收斂需求，每個(gè)綜合業(yè)務(wù)區(qū)至少需具備一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。

此外，實(shí)際綜合業(yè)務(wù)區(qū)面積與典型面積存在一定差距。但在本模型中，由于高價(jià)值政企客戶點(diǎn)位采用均勻分布，此面積大小不影響總體客戶點(diǎn)分布，但影響該業(yè)務(wù)區(qū)VC-OTN部署點(diǎn)位的可選范圍，對(duì)總體覆蓋率為次要影響，本文暫不展開分析。

2 一種基于類矩形分布模型的政企傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

2.1 搭建類矩形分布模型

（1）實(shí)際接入距離判定

由于網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位與客戶點(diǎn)通常采用經(jīng)緯度記錄，地圖上兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離需要通過經(jīng)度、緯度之間測(cè)算獲得。設(shè)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)A與客戶點(diǎn)B。實(shí)際上，該網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位至客戶點(diǎn)并非直線覆蓋，末端光纜往往通過管道、桿路等方式敷設(shè)，考慮市區(qū)城市規(guī)劃及道路建設(shè)呈方格型，采用棋盤距離作為兩點(diǎn)間的物理距離，引入中間點(diǎn)A′。當(dāng)0 ＜L ≤L0時(shí)，對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位可覆蓋L距離下的該客戶點(diǎn)位。由于0L R?，地圖上實(shí)際接入距離可等效為平面模型棋盤距離L，即：

考慮政企客戶就近接入的特性，往往接入為本綜合業(yè)務(wù)區(qū)機(jī)房或相鄰綜合業(yè)務(wù)區(qū)機(jī)房，則其可考慮接入距離L0≤ L0max如式（2）所示，接入距離理論最大值L0max示意圖如圖2所示。

（2）類矩形單節(jié)點(diǎn)模型

根據(jù)設(shè)定的最大接入距離L0，獲得網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位最大覆蓋客戶點(diǎn)范圍。由于實(shí)際業(yè)務(wù)接入光纜距離覆蓋受城市房屋用地及道路規(guī)劃影響，實(shí)際覆蓋范圍為類矩形，節(jié)點(diǎn)最大覆蓋范圍類矩形示意圖如圖3所示。

圖2 接入距離理論最大值L0max示意圖

圖3 節(jié)點(diǎn)最大覆蓋范圍類矩形示意圖

模型單位網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位最大覆蓋范圍可等效為對(duì)角線距離為 02L的矩形，面積0S可近似表示為根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際投資效益，L0不能太大，太大會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)難以就近接入，影響業(yè)務(wù)發(fā)展；也不能太小，太小會(huì)導(dǎo)致M過大，投資太大。

結(jié)合市區(qū)模型，搭建市區(qū)類矩形分布模型如圖4所示。方形范圍為該業(yè)務(wù)區(qū)所有客戶點(diǎn)覆蓋面積邊界，大顆粒黑點(diǎn)表示該業(yè)務(wù)區(qū)所有匯聚及以上機(jī)房部署點(diǎn)位，類矩形區(qū)域?yàn)樽畲蠼尤刖嚯x為0L的VC-OTN節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍。

圖4 市區(qū)類矩形分布模型

2.2 需求覆蓋率的相關(guān)約束條件

根據(jù)運(yùn)營(yíng)公司設(shè)定的政企傳輸網(wǎng)絡(luò)占有率目標(biāo)值和轉(zhuǎn)化率計(jì)算需求點(diǎn)位覆蓋率。運(yùn)營(yíng)商的需求點(diǎn)位覆蓋率可表示為需求覆蓋客戶點(diǎn)位數(shù) 1N與總客戶點(diǎn)位數(shù)N的比值，即：

根據(jù)需求點(diǎn)位數(shù)和點(diǎn)位最大覆蓋范圍獲得點(diǎn)位面積覆蓋率，則理論最小覆蓋率只需滿足式（4）即可滿足需求客戶點(diǎn)覆蓋率需求。

設(shè)定 0M為最小需求VC-OTN點(diǎn)位數(shù)，極端場(chǎng)景下，0M個(gè)類矩形區(qū)域應(yīng)不存在重疊，則此網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位覆蓋的面積總客戶點(diǎn)位覆蓋面積即市區(qū)總綜合業(yè)務(wù)區(qū)面積。根據(jù)上述條件推導(dǎo)理論最小的VC-OTN點(diǎn)位數(shù) 0M如式（5）所示。

其中，[·]為向上取整符號(hào)。即實(shí)際需部署的VC-OTN點(diǎn)位數(shù)存在約束條件 M ≥ M0。此外，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，可以根據(jù)投資等因素，獲得的進(jìn)一步約束條件。

2.3 兩種不同部署策略的實(shí)際點(diǎn)位覆蓋率

結(jié)合機(jī)房點(diǎn)位所有客戶點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，依次根據(jù)接入距離判定式，計(jì)算獲得各機(jī)房在最大接入距離0L條件的理論可覆蓋客戶數(shù)。通過選取的M個(gè)機(jī)房記錄所有實(shí)際覆蓋客戶點(diǎn)位數(shù)1N，結(jié)合總客戶點(diǎn)數(shù)N計(jì)算實(shí)際點(diǎn)位覆蓋率，如式（6）所示。

在最大接入距離0L和選取M個(gè)機(jī)房數(shù)量固定的情況下，實(shí)際覆蓋率同樣會(huì)受到多個(gè)相鄰機(jī)房重疊覆蓋客戶點(diǎn)數(shù)的影響，重疊覆蓋客戶數(shù)越多，實(shí)際覆蓋率越低。因此，為盡量提高覆蓋率，本文根據(jù)不同場(chǎng)景，提出了2種機(jī)房選取策略。

· 策略1：面向需求機(jī)房點(diǎn)位數(shù)較少，幾乎無重疊覆蓋客戶的場(chǎng)景。選取單一機(jī)房覆蓋客戶點(diǎn)數(shù)最多的前M個(gè)機(jī)房，優(yōu)先向熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋。

· 策略2：面向機(jī)房點(diǎn)位數(shù)較多，重疊覆蓋客戶數(shù)多的場(chǎng)景。在機(jī)房點(diǎn)位數(shù)較多場(chǎng)景下，策略1的前M個(gè)機(jī)房會(huì)存在較多客戶點(diǎn)重復(fù)覆蓋。綜合業(yè)務(wù)區(qū)可根據(jù)成熟度劃分為：成熟區(qū)、部分成熟區(qū)、非成熟區(qū)，其分布往往將市區(qū)綜合業(yè)務(wù)區(qū)環(huán)形切分。將單一機(jī)房覆蓋客戶點(diǎn)數(shù)依次排列，切分為相鄰的3組。當(dāng) M≠（0 m o23）時(shí)，剩余

機(jī)房數(shù)量從這3組中選取最大的幾個(gè)機(jī)房。

通過預(yù)先對(duì)政企傳輸網(wǎng)絡(luò)提前進(jìn)行高層級(jí)網(wǎng)絡(luò)部署，在業(yè)務(wù)觸發(fā)后再基于客戶實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行底層級(jí)網(wǎng)絡(luò)部署。

3 仿真分析

采用蒙特卡洛算法驗(yàn)證本文搭建的模型下，不同機(jī)房選取策略的系統(tǒng)性能，本仿真模型的蒙特卡洛次數(shù)為1 000。其他系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：總客戶點(diǎn)位數(shù) N= 5 000，需求客戶點(diǎn)覆蓋率P實(shí)際(N1/N)≥ 80%，市 區(qū) 綜 合 業(yè) 務(wù) 區(qū) 總 數(shù)n= 100。綜合考慮各類業(yè)務(wù)區(qū)的機(jī)房選址情況，各綜合業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)匯聚機(jī)房的點(diǎn)位和客戶點(diǎn)位模型均采用離散均勻分布。

最小VC點(diǎn)位數(shù)與最大接入距離0L的關(guān)系如圖5所示?？芍?，當(dāng)L0≤ 1 200 m 時(shí)，需求的理論最小VC點(diǎn)位數(shù)均大于或等于100個(gè)，表明即使所有匯聚機(jī)房節(jié)點(diǎn)作為VC點(diǎn)位，且不考慮重疊覆蓋客戶點(diǎn)位情況，依舊無法滿足業(yè)務(wù)接入需求，需向下一層級(jí)推廣部署才能滿足需求；當(dāng)L0≤1 200 m 時(shí)，需求的理論最小VC點(diǎn)隨著L0增大，需求的理論最小VC點(diǎn)位數(shù)逐步減少且逐漸區(qū)域平緩。

圖5 最小VC點(diǎn)位數(shù)與最大接入距離0L的關(guān)系

最小接入距離為2 500 m，VC-OTN節(jié)點(diǎn)數(shù)為26條件下，采用策略2篩選的機(jī)房可覆蓋客戶點(diǎn)位直觀示意圖如圖6所示。圖6（a）為本文模型仿真下，各機(jī)房節(jié)點(diǎn)若部署VC-OTN系統(tǒng)，基于本文類矩形模型可覆蓋的客戶點(diǎn)數(shù)熱力圖。圖6（b）為圖6（a）矩陣下，采用策略2篩選的26個(gè)機(jī)房作為VC-OTN節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的可覆蓋客戶點(diǎn)數(shù)熱流圖?？芍呗?、策略2的覆蓋客戶點(diǎn)統(tǒng)計(jì)總數(shù)分別為4 340個(gè)、3 867個(gè)，策略1較策略2的統(tǒng)計(jì)總數(shù)大，但熱點(diǎn)區(qū)域篩選的節(jié)點(diǎn)更加緊密，重疊覆蓋現(xiàn)象更加顯著，導(dǎo)致策略實(shí)際可覆蓋客戶點(diǎn)總數(shù)明顯低于統(tǒng)計(jì)總數(shù)。圖6（c）為該仿真下客戶點(diǎn)位、機(jī)房點(diǎn)位、VC-OTN點(diǎn)位的仿真示意圖。通過策略2篩選的VC-OTN點(diǎn)位相對(duì)策略1更加分散，在滿足熱點(diǎn)部分熱點(diǎn)區(qū)域高覆蓋的同時(shí)，盡量減小重疊覆蓋客戶數(shù)。

圖6 最小接入距離為2 500 m、VC-OTN節(jié)點(diǎn)數(shù)為26條件下，采用策略2篩選的機(jī)房可覆蓋客戶點(diǎn)位直觀示意圖

不同策略下，VC地位與客戶點(diǎn)覆蓋率的關(guān)系如圖7所示?？芍?，隨著VC點(diǎn)位數(shù)增大，客戶點(diǎn)覆蓋率增大，且增大幅度逐漸放緩。相同VC-OTN點(diǎn)位數(shù)下，策略2的覆蓋率明顯高于策略1，在VC-OTN點(diǎn)位大于90個(gè)后逐漸趨近。當(dāng)覆蓋率滿足80%時(shí)，理論最小、策略1和策略2所需的最小VC-OTN點(diǎn)位數(shù)分別為26個(gè)、58個(gè)和50個(gè)。

圖7 不同策略下，VC地位與客戶點(diǎn)覆蓋率的關(guān)系

滿足80%覆蓋率，不同策略下，最大接入距離與VC-OTN點(diǎn)位數(shù)的關(guān)系如圖8所示?？芍?，在相同策略下，隨著最大接入距離增大，需部署的VC-OTN點(diǎn)位數(shù)減小，且減小趨勢(shì)逐漸放緩。其中，按照實(shí)際策略1、策略2部署的節(jié)點(diǎn)在最大接入距離0L小于或等于1 500 m時(shí)，即使所有站點(diǎn)均部署VC-OTN節(jié)點(diǎn)，也無法滿足覆蓋率需求。當(dāng)最大接入距離大于1 400 m時(shí)，策略2較策略1下降的趨勢(shì)更加明顯。最大接入距離相同條件下，策略2較策略1需要更少的VC-OTN點(diǎn)位就能滿足覆蓋率需求。

圖8 滿足80%覆蓋率，不同策略下， 最大接入距離與VC-OTN點(diǎn)位數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)束語

本文提出的一種基于類矩形分布模型結(jié)合熱力地圖的政企傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。通過搭建典型市區(qū)仿真環(huán)境，探究了VC-OTN節(jié)點(diǎn)部署數(shù)量、策略、最大業(yè)務(wù)接入距離等影響因素對(duì)VC-OTN系統(tǒng)部署效益的影響。

為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)精準(zhǔn)快速建設(shè)提供可靠理論指導(dǎo)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)復(fù)雜度，壓縮網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，加速網(wǎng)絡(luò)交付速度，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速開通，避免了盲目部署VC-OTN點(diǎn)位，提升了點(diǎn)位部署規(guī)劃精度，另外，也能提升投資效益。在實(shí)際業(yè)務(wù)觸發(fā)之前能提前對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行部署，對(duì)潛在客戶進(jìn)行地理位置梳理，預(yù)先對(duì)政企傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高層級(jí)網(wǎng)絡(luò)部署，在業(yè)務(wù)觸發(fā)后再基于客戶實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行底層級(jí)網(wǎng)絡(luò)部署。

同時(shí)，本綜合業(yè)務(wù)區(qū)、客戶點(diǎn)模型是基于分布總體情況搭建的，實(shí)際建設(shè)與該模型存在一定差距。且實(shí)際建設(shè)還需考慮建設(shè)投資、需求接入率等約束條件限制。在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合實(shí)際市區(qū)個(gè)性化需求，可不斷修正系統(tǒng)參數(shù)和業(yè)務(wù)模型，從而提升規(guī)劃精準(zhǔn)度，以適用各種場(chǎng)景。