運營商匯聚機房的規(guī)劃選址研究

潘 亮，康元元

（1.中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.石家莊學(xué)院 機電學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

匯聚機房作為通信運營商重要的基礎(chǔ)資源，是影響運營商網(wǎng)絡(luò)安全與穩(wěn)定的最重要因素，因此各運營商都極為重視匯聚機房的建設(shè)，出臺了很多建設(shè)指引和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是在機房的規(guī)劃選址上，缺少算法支持，欠缺精準(zhǔn)性[1].筆者對電力行業(yè)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，電力變電站的容量測算一般采取最大負(fù)荷法，站址選取采用粒子群優(yōu)化算法，均取得了良好效果.因此，本研究借鑒電力變電站建設(shè)方案，提出了2個通信運營商匯聚機房的建設(shè)模型：基于業(yè)務(wù)量帶寬需求的匯聚機房面積測算模型以及基于粒子群優(yōu)化算法的匯聚機房選址模型，并進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析，以期能為運營商匯聚機房建設(shè)提供參考.

1 基于業(yè)務(wù)量帶寬需求的匯聚機房面積測算模型

1.1 變電站容量測算模型介紹

筆者專程前往太原城市規(guī)劃院進(jìn)行交流，仔細(xì)研究了《太原市供電專項規(guī)劃》中對變電站的需求分析和建設(shè)模型.該模型采取的思路方法和通信運營商建設(shè)綜合業(yè)務(wù)區(qū)的思路方法有異曲同工之處[2].

首先，將中心城區(qū)供電分為若干個供電分區(qū)，分區(qū)的原則主要依托城市主干道路網(wǎng)來確定邊界；然后依據(jù)分區(qū)內(nèi)用電客戶不同的用地屬性和其對應(yīng)的用電負(fù)荷指標(biāo)，求出該分區(qū)總的用電負(fù)荷.其中，負(fù)荷指標(biāo)的選取，一方面依據(jù)《城市電力規(guī)劃規(guī)范》和太原市經(jīng)信委下發(fā)的住宅、商業(yè)核算容量取值；另一方面將太原與國內(nèi)一線城市（北京、天津）、國內(nèi)同等發(fā)展水平的城市（武漢、長沙、廈門）進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，結(jié)合太原實際，確定符合太原發(fā)展定位的負(fù)荷指標(biāo)體系；最后，再根據(jù)各分區(qū)的最大負(fù)荷計算結(jié)果，確定各分區(qū)變電站的建設(shè)容量大小.

1.2 匯聚機房面積測算算法介紹

本研究借鑒變電站容量的測算模型，對運營商綜合業(yè)務(wù)區(qū)匯聚機房面積標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測算，具體步驟如下：

首先，選擇一個業(yè)務(wù)量較密集的綜合業(yè)務(wù)區(qū)；統(tǒng)計該綜合業(yè)務(wù)區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃下掛的基站數(shù)量、集客條數(shù)、家庭寬帶戶數(shù)，并預(yù)估最大帶寬需求；然后，根據(jù)目前的網(wǎng)絡(luò)承載方案，例如：5G（第5代移動通信）基站業(yè)務(wù)采取切片分組網(wǎng)（SPN）承載，集團(tuán)政企專線采取光傳送網(wǎng)（OTN）承載，家庭等公眾寬帶采取無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）承載，依據(jù)主流廠家各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的典型配置，測算出匯聚機房需要安裝的網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備以及光配線架（ODF）、電源、空調(diào)等配套設(shè)備的數(shù)量，并求出所有設(shè)備的總投影面積[3]；最后，按照設(shè)計規(guī)范中關(guān)于機房面積的相關(guān)公式計算出匯聚機房的面積大小.

1.3 案例應(yīng)用

以太原某運營商的大南門綜合業(yè)務(wù)區(qū)為例，此綜合業(yè)務(wù)區(qū)遠(yuǎn)期業(yè)務(wù)規(guī)劃為：下掛無線5G基站118個，集團(tuán)政企客戶590條，家庭寬帶3094戶.在帶寬需求方面，一方面調(diào)研現(xiàn)有業(yè)務(wù)實際帶寬情況，另一方面采用成長曲線預(yù)測和專家調(diào)查法糾偏，從而較為科學(xué)地預(yù)估出規(guī)劃期末的最大帶寬需求[4，5]：無線5G基站；規(guī)劃期末帶寬需求：2 G/站；集團(tuán)政企客戶帶寬：1 G/條；家庭寬帶：1 G/戶.這樣就可以算出該綜合業(yè)務(wù)區(qū)總帶寬需求=118×2 G+590×1 G+3094×1 G=3920 G.根據(jù)目前的網(wǎng)絡(luò)承載方案及設(shè)備配置情況，推算出此綜合業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的匯聚機房最終需要安裝的設(shè)備數(shù)量，見表1.

從表1可以看出，設(shè)備總投影面積為11.30 m2，依照國標(biāo)“電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范”中對于機房面積A的測算公式[6]：

表1 設(shè)備信息表

式中：K代表計算系數(shù)；S代表設(shè)備總投影面積.K一般取5～7，本次取最小值5，則A=56.49.所以綜合業(yè)務(wù)區(qū)匯聚機房面積不能小于56.49 m2，取整，則要求不能小于60 m2.

2 基于粒子群優(yōu)化算法的匯聚機房選址模型

2.1 粒子群優(yōu)化算法介紹

粒子群優(yōu)化算法是一種群體最優(yōu)化計算技術(shù)，最早始于對鳥群覓食的研究：鳥群在一片區(qū)域內(nèi)搜尋一塊食物，它們均不清楚食物在哪兒，但了解自己和食物之間的距離，因此鳥兒不斷在當(dāng)前距離食物最近的鳥兒的周邊搜尋.在搜尋過程中，鳥兒相互傳送信息，一起合作來確定自己是否找到最優(yōu)解，還將更新后的信息傳遞到鳥群，使所有鳥兒都能找到食物源[7].抽象成數(shù)學(xué)模型，每只覓食的鳥兒即為“粒子”，每個粒子都有一個由特定函數(shù)計算出的適應(yīng)值，以及一個速度來控制粒子們飛行的方位，粒子們經(jīng)過不斷迭代運算來尋求最優(yōu)值[8].

2.2 變電站選址的數(shù)學(xué)模型及算法實現(xiàn)

電力行業(yè)的變電站選址問題，如使用粒子群優(yōu)化算法，是在新建變電站建設(shè)容量已明確的條件下，尋求變電站建站的最優(yōu)位置，從而取得最少建設(shè)和運維成本，詳細(xì)的公式如下：

式中：Csub代表新建變電站折算到每年的建設(shè)和運維成本；CLine代表配套的供電線路換算到每年的建設(shè)和運維成本.Csub和CLine的計算公式如下：

式中：r0代表貼現(xiàn)率；Ts代表新建變電站的折舊年限；S代表新建變電站的容量；f（S）代表新建變電站的投資費用；u（S）代表新建變電站的運行費用；TL代表配套的供電線路的折舊年限；j代表變電站供電的第j個負(fù)荷點；J代表由變電站供電的所有負(fù)荷點；Wj代表第j個負(fù)荷點的有功負(fù)荷；α（Wj）代表與Wj相應(yīng)的供電線路單位長度建設(shè)投資；dj代表變電站和第j個負(fù)荷點之間的供電線路距離：

式中：βj代表線路網(wǎng)損折算系數(shù)；β1代表當(dāng)前電價；β2j代表與Wj相應(yīng)的出線單位長度電阻；β3代表年損耗小時數(shù)；U代表線電壓；cos2Φ代表功率因數(shù)；x，y代表新建變電站的坐標(biāo)位置；xj，yj代表第j個負(fù)荷點的坐標(biāo)位置.

2.3 采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行傳輸機房選址

借鑒變電站的選址方法，運營商也可以采取粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行匯聚機房選址.匯聚機房選址問題可描述為：在覆蓋區(qū)域已知的情況下，為了滿足業(yè)務(wù)接入需求，尋找匯聚機房的最優(yōu)位置，以取得最少的建設(shè)和年運維成本（匯聚機房的建設(shè)和運維成本、光纜線路的建設(shè)和運維成本）.參照變電站選址模型，運營商匯聚機房選址參數(shù)見表2.

表2 匯聚機房相關(guān)參數(shù)含義對標(biāo)表

為簡化問題，可不考慮新建匯聚機房的建設(shè)費用f（S）和運維成本u（S），而僅僅只考慮配套的光纜線路費用，則選址模型可描述為：在覆蓋區(qū)域內(nèi)，利用粒子群優(yōu)化算法確定新建傳輸機房的最優(yōu)位置，使其與所接入業(yè)務(wù)節(jié)點的加權(quán)距離之和最小[6].

因此，可使用線路費用函數(shù)CLine為粒子群優(yōu)化算法的適應(yīng)值函數(shù)，設(shè)置成F，則：

尋求匯聚機房最優(yōu)選址位置的步驟如下：

1）初始化參數(shù)（變量維度D、種群數(shù)量r、迭代次數(shù)k、慣性因子ω、加速系數(shù)c1，c2等）；

3）按照F函數(shù)，求出粒子的適應(yīng)值；

4）比較每個粒子的適應(yīng)值和它的個體極值，從而不斷更新全局最優(yōu)粒子（Gbest）和個體最優(yōu)粒子（Pbest）；

5）依據(jù)適應(yīng)值大小將粒子群分成2個種群，每個種群設(shè)置不一樣的慣性權(quán)重ω2：適應(yīng)值高的，慣性權(quán)重較??；適應(yīng)值小的，則權(quán)重設(shè)置較大；

6）代入?yún)?shù)，更新粒子的速度與位置，計算公式如下：

式中：v代表速度；x代表位置；rand代表介于（0，1）的隨機數(shù)；p代表個體極值，k、ω2、c1、c2代表初始化參數(shù).

7）按照設(shè)置的偏差要求或迭代次數(shù)，檢驗是否滿足結(jié)束條件.若滿足，則結(jié)束程序，得出最優(yōu)解pg；若不滿足，則退回步驟2；

8）分析匯聚機房最優(yōu)點pg是否落在可行區(qū)域.若落在可行區(qū)域，則得出最優(yōu)解；若不是，則找到距離最優(yōu)點最近的可行區(qū)域內(nèi)的一個點位，即為匯聚機房的最終位置.

2.4 案例應(yīng)用

基于粒子群優(yōu)化算法，對太原市某運營商晉源區(qū)新建匯聚機房河西三節(jié)點進(jìn)行選址.晉源區(qū)現(xiàn)有業(yè)務(wù)接入點見圖1.

圖1 太原某運營商晉源區(qū)業(yè)務(wù)接入點點位圖

算法參數(shù)選取為：變量維度取2，種群數(shù)量取10，迭代次數(shù)取200，慣性因子變化范圍0.4～0.9，加速系數(shù)均為2.0.業(yè)務(wù)接入點依次選?。汗懦菭I村、北河下村、晉源新區(qū)營業(yè)廳，新選匯聚機房與3個業(yè)務(wù)接入點之間的匯聚層光纜均選用48芯光纜，采用管道敷設(shè)方式.程序運行時，輸入光纜線路投資貼現(xiàn)率0.08，折舊年限TL=15，新建匯聚點到業(yè)務(wù)接入點光纜敷設(shè)單位長度投資α（W1）=α（W2）=α（W3）=1.5萬元/km，線路網(wǎng)損折算系數(shù)β1=β2=β3=0.05，業(yè)務(wù)接入點的上聯(lián)業(yè)務(wù)帶寬W1=12 G，W2=15 G，W3=23 G.任意選取一組粒子（綜合業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)），使用粒子群優(yōu)化算法求解，匯聚機房站址優(yōu)化結(jié)果如表3所示.根據(jù)表3迭代計算，最終得出新建匯聚機房河西三樞紐的最優(yōu)位置，如圖2所示.

圖2 河西三樞紐機房規(guī)劃位置圖

表3 匯聚機房站址優(yōu)化表

3 結(jié)語

匯聚機房的合理化布局是各運營商本地傳送網(wǎng)穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，在匯聚機房規(guī)劃選址階段，應(yīng)充分考慮下掛業(yè)務(wù)帶寬需求，綜合考慮經(jīng)濟效益，借鑒科學(xué)的算法模型，采取適宜的規(guī)劃調(diào)研方案，科學(xué)規(guī)劃、精準(zhǔn)建設(shè)、合理投資，從而構(gòu)建安全穩(wěn)定、經(jīng)濟有效的傳輸承載網(wǎng)絡(luò).