CC BY
124
Формирование структуры транспортной сети
связи
С.П. Ковальский, Н.И. Фокин, Р.М. Абдуразаков, М.В. Никитин
Аннотация - В статье обсуждается и обосновывается общая методология решения задачи синтеза структуры региональной транспортной сети связи. Задача синтеза формулируется как
многокритериальная, поскольку конструктивное решение данной задачи в общем виде не представляется возможным. Рассматривается один из подходов решения, заключающейся в декомпозиции задачи на ряд взаимообусловленных сравнительно слабосвязанных подзадач синтеза взаимовложенных топологической, потоковой и физической структур региональной транспортной сети связи.
Ключевые слова - транспортная сеть, многопродуктовая сеть, оптимизация структуры, многокритериальная оптимизация, квазиоднородная структура.
I. Введение Эффективное управление регионом в современных условиях, обладающих высокой динамичностью, невозможно без
соответствующего развития
инфокоммуникационной инфраструктуры региона, сосредоточенного и распределенного решения возникающих задач, формирования информационных баз и банков данных, центров стратегических исследований. Это обусловливает создание мощной региональной автоматизированной системы управления и ее материального носителя региональной системы связи (РСС), которая создается как единое инфокоммуникационное пространство в интересах всех систем управления функционирующих на данной территории.
Ковальский Сергей Петрович, кандидат технических наук, Академия ФСО России, [email protected]
Фокин Николай Игоревич, кандидат технических наук, Академия ФСО России, [email protected]
Абдуразаков Рустам Магомедович, Академия ФСО России, [email protected]
Никитин Михаил Викторович, Академия ФСО России, [email protected]
Решение задач синтеза системы связи Ср в рамках региона определяется его сравнительной административной и географической самостоятельностью,
существенной замкнутостью решаемых задач, информационных, транспортных, товарных и финансовых потоков.
В регионе существуют объективно сложившиеся центры деловой, экономической, производственной и информационной активности, к которым естественно тяготеют государственные (федеральные и
муниципальные) органы систем управления различного уровня, корпоративные,
производственные и органы управления специального назначения. В окрестностях данных центров образуются зоны региона
% 4 = 1,2
Окончательный облик зон формируется с использованием математического аппарата кластерного анализа по критериям подчиненности и близости. РСС строятся по единому плану совместными усилиями всех операторов связи, министерств и ведомств, расположенных в данном регионе. При этом организационно-технические принципы,
системно сетевые решения по построению и развитию РСС должны быть
взаимоувязанными, согласованными и соответствовать концепциям
совершенствования Единой сети электросвязи (ЕСЭ) Российской Федерации и принципам формирования единого информационного пространства России [1].
II. Структура региональной транспортной сети связи
Основой РСС являются региональная транспортная сеть связи (РТСС), включающая ряд подсистем поддержки, базовое ядро, обеспечивающее каналами заданного качества многочисленные направления связи по различным маршрутным схемам, а также канальный ресурс для взаимодействующих подсистем (системы связи с подвижными объектами, специальные системы связи, навигации, различного рода распределенные информационно вычислительные системы).
В состав системы связи региона войдут
G
зоновые сети внутризоновые
', множественные сети доступа
GJ, GJ с G,, , = 1,5,т = 1, Т
и
G
ртс
транспортная сеть
н тг
□ р (А, В) = и^™;
5=1 Т=1
А = { а}, I = 1Д В = {Ь..}, г, ] =Щ г / ], |А| = Ы, |В| = п. с существующими построенными и планируемыми к построению линиями
B = {bj},г, J = 1,N гФ j
и узлами связи
А = {а. },г = 1, N
операторов, силовых министерств и ведомств и собственно ЕСЭ России.
Одной из важнейших подсистем РТСС является система тактовой сетевой синхронизации (СТСС), представляющая собой совокупность ведущих и ведомых генераторов тактовой частоты (ГТЧ) и сигналов синхронизации, образуя сеть тактовой сетевой синхронизации, которая обеспечивает когерентность колебаний ГТЧ на множестве пространственно разнесенных узлов цифровой сети. Кроме того, СТСС обеспечивает синхронизацию системно сетевых процессов РТСС: взаимодействие системы сигнализации и маршрутизации, процессов восстановления, оперативного переключения, контроля и управления.
В ряде работ [2,3] показано, что структуры РТСС должны быть квазиоднородными, так как они имеют близкие к минимальным значения диаметра, среднего расстояния, обладают максимальной мощностью минимальных сечений и максимальным числом остовных деревьев распределенных по определенному закону, при удержании функции стоимости в области минимума. Максимизация числа остовных деревьев обеспечивает эффективное восстановление системы синхронизации при отказах ее элементов. В этом случае при использовании на сетевых узлах и узлах связи пунктов управления генераторов в виде синтезаторов частот на астатической ФАПЧ, а в центрах сети эталонных генераторов, обеспечивается требуемая надежность передачи сигналов синхронизации, которая должна быть выше надежности передачи информационных сигналов [2, 3].
Задача синтеза региональной транспортной сети заключается в аппроксимации непрерывной или дискретной информационной среды региона некоторой макроструктурной моделью, наиболее полно удовлетворяющей предъявляемым
требованиям к информационному обмену в регионе со стороны функционирующих в нем систем управления и условиям функционирования транспортной сети, с последующей реализацией данной метамодели конкретными системно-сетевыми шаблонам, инфокоммуникационными технологиями и системами передач. Требования,
предъявляемые к сети связи могут быть реализованы при условии выполнения требований к подсистеме переноса РТСС, а также обеспечивающим и
взаимодействующим подсистемам.
В организационно-техническом плане РТСС включает узловую основу
А = {а1}, ¡ = 1, N, сетку линий
B = {bjj}, i,J = 1,N, г ф J, Bl = n, обеспечивающие подсистемы управления и
сигнализации, синхронизации, систему связи с подвижными объектами (ССПО). На узловой основе А РТС выделяются полюсы сети, которые представляют собой совокупность корреспондирующих пар узлов
2 = К Ь ^ = (арк ,а8к X ? =.
Характеристики РТСС должны быть сформированы таким образом, чтобы имелась возможность выделения из ее состава двухполюсных сетей, предоставляющих корреспондирующей паре узлов(КПУ) требуемую пропускную способность, которая поддерживалась требуемой структурной надежностью, а характеристики цифровых каналов РТСС обладали качеством необходимым для обеспечения услуг электросвязи, предоставляемых сетью. Кроме того, должны обеспечиваться потребности в пропускной способности и требуемой надежности обеспечивающих подсистем и системы связи с подвижными объектами.
Совокупность КПУ РТС 2 ' = {2к,}
представляет собой объединение
перечисленных корреспондирующих пар узлов пунктов управления, обеспечивающих подсистем и ССПО
Т = 1УД и2 и2е и2ссио и2С1СС. (1)
Такое представление КПУ сети позволяет на ранних этапах синтеза определить особенности морфологического описания РТСС и количественные требования к сетевым характеристикам: пропускной способности, устойчивости и приведенной стоимости.
Каналы требуемого качества, определяются компонентами вектора:
V=[VI,...V ,.,Ут,V V ЛССПО ]т (2),
ТП Т/с т/ССПО
где V? , V? , V? - суммарное количество
каналов заданного качества, необходимое для обеспечения потребностей подсистем управления, сигнализации, связи с подвижными объектами, соответственно; Vk -
потребность в каналах к -ой КПУ. Общее количество каналов:
v^XV + Vy + vc + v
ССПО
(3)
к=1
Требования к надежности задаются для
каждого направления связи Н, k = 1, тдд ,
zk
а также для обеспечивающих подсистем
подсистемы связи с
Hтр Hтр HТр
11 у ? 11 с > 11 стсс ■
подвижными объектами НССПО:
н»=н,..., н?,..., нтт ну, н?, н*, нср ]т. (4)
Согласно Рекомендациями МСЭ-Т серии О (0.701, 0.810, 0.820, 0.821, 0.822, 0.823) требования к качеству цифровых каналов (ЦК) РТСС задаются вектором:
а» = кш, ,с, р?, т^г, (5)
где Кттт - коэффициент ошибки; «/ -
ошш вых
дрожание фазы цифрового сигнала на выходе ЦК; ¿кп - относительное время действия импульсных помех и кратковременных прерываний в ЦК; Рх - проскальзывания
цифрового сигнала; тп - время прохождения сигнала по ЦК; 8V - допустимое отклонение
скорости передачи цифрового сигнала на выходе ЦК.
Для решения задачи оценки качества ЦК необходимо определить информативность параметров, произвести их ранжирование и ограничение перечня с обеспечением глубины контроля не меньше заданной. Решение данной задачи показало [2], что для различных услуг электросвязи, при глубине контроля 90...95% достаточно ограничиться двумя наиболее информативными параметрами J
и Кош . Рассматриваемая сеть реализуется с
использованием узлового Яу и линейного Ял
ресурсов. Данные ресурсы целесообразно представить в виде:
R = (r» : a,,ß»,y»,U»,L»,a,,H»}, r = i, Qr, » = ^ Q»; Яу = (rV : аГ,РГ,уr,U„,Я},
r =1,Qr, V =1,Qv,
- структурная надежность РТСС. Каждому ребру Ьг. графа сети ставится в соответствие
(6) два числа: и. - пропускная способность ребра,
то есть величина максимального потока, передаваемого по ребру
„V
где Г - тип системы передачи, г - тип сетевого узла, а!), в. и агу, Ду -
нормированные коэффициенты
аппроксимации приведенных затрат на
развертывание и эксплуатацию . -го
линейного и у -го узлового средства,
соответственно; у. и уу - стоимость одного канало-километра Ц -ой линии . -ой системы передачи и стоимость одной точки коммутации I -го узла у -го узлового средства,
соответственно; и.., и,„- количество каналов
и трактов, образуемых Г! и коммутируемых Гу средствами, соответственно, Н., Hi -векторы эксплуатационных надежностей для Г! игу оборудования, соответственно; Ь -
вектор параметров структуры г системы передачи (длины регенерационных участков,
секций дистанционного питания и т. п.); а. -
вектор эксплуатационных норм на характеристики каналов и трактов.
Оптимизация РТСС как сложной распределенной системы осуществляется на основе экономико-математических моделей, что связано с высокой стоимостью построения и эксплуатации таких сетей. Для решения задачи синтеза РТСС целесообразно использовать теоретическую модель многополюсной многопродуктовой сети. В задачах синтеза многопродуктовая сеть, как математический объект, представляется в виде взвешенного неориентированного связанного графа
в( А, В,и, Н),
где А - множество вершин графа, соответствующее сетевым узлам и сетевым станциям, В - множество ребер, представляющих собой линии связи, Н
и = {и.}, г,/ = , г Ф ), Ь. е В; к. -
надежность ребра сети (вероятность исправной
работы, коэффициент готовности Г! -ой системы передачи).
В данной работе задача синтеза структуры РТСС формулируется как многокритериальная. Поэтому при синтезе цифровых транспортных сетей целесообразно рассматривать только допустимые пути
Гдоп (< ) :
Г(пк) <Гдоп(4), X = 1, кСв, к = 1, т. (7)
Задача оптимизации РТСС допускает конкретизацию, если рассматривать покрывающие и приведенные покрывающие множества допустимых путей между КПУ
2 = {2к}, к = 1,т* .
Пропускные способности минимальных покрывающего Сш)п (П к) и приведенного
покрывающего Ст)п( П 2 ) множеств определяются по емкости компонентов, вошедших в состав соответствующих множеств [3, 4]:
с(Пк ) = X Uj ;
Cmin(n к) = arg min X Uj, г' ф Л k = 1,m, Р = 1, ^
b„enk -1
(8)
c(t)= x u ; o^z^m x u ;г'ф j1=1,ag-
bjeliï
t
Для многопродуктовых сетей нахождение приведенных покрытий осуществляется методом минимизации булевых функций [5, 6, 7]. Матрица путей принимается за импликантную таблицу, в процессе преобразования которой выделяются
j-np
простые импликанты являющиеся
приведенными покрытиями. Далее
осуществляется их анализ, нахождение пропускных способностей и надежностей. В качестве целевых функций
многокритериальной задачи оптимизации структуры РТСС выбираются функции: структурной надежности сети:
н = /(П 2, г ", г ^ ином , Н», ) = / (а)
(9)
W = /4( П Z, г ", г * UНоМ, Vj, H *, е* ) = /4 ( а).
(12)
-х
путей П z = {П к }, k = 1,mX = 1,Л
G
а е A
П Z = {Пр };
С (П Z ), Cmin ( П к ). При целевых функциях:
(13)
H = /( П Z, г ", ■г * ином V , G* ) = / (а);
С- = /2( П Z, г ", г * ^ом V, нтр, ): = /2(а);
Q = /з( П Z, г ", г * ^ом V, н\етр): = /з(а);
W = /4 ( п Z , г " , г * ^ом V, н*, се4* ) =/4(а),
доставляющих минимум функции
[/i -/(а), V/е
min А/(а) =
/ (а) -/, V / е 4 ;
/=1,4, х=1,л, ц=], а, *=1, q г*=1, бу, r»=i, е„
пропускной способности
С = ин\ ,гц,г¥,иноМ V? ,^,0») = /2 (а) (10)
качества канального ресурса сети
б = У3(П 2 ,гц,г¥,ин0м V ,Ятр,0?) = /3 (а) (11)
приведенной стоимости на построение, эксплуатацию и развитие РТСС
Задача синтеза структуры РТСС состоит в выборе морфологической структуры сети
О* - эффективной альтернативы а £ А , характеризующейся такими совокупностями
где У/0- оптимальное значение /-ой функции цели на множестве допустимых альтернатив, /1, 12- множества индексов
максимизируемых и минимизируемых функций цели, соответственно [8].
III. Заключение Конструктивное решение многокритериальной задачи оптимизации структуры РТСС в общем виде (13)...(15) не представляется возможным. Одним из подходов является структурный метод решения данной задачи, связанный с ее декомпозицией на ряд взаимообусловленных сравнительно слабосвязанных подзадач синтеза взаимовложенных топологической От (А, B ), потоковой От ( A, B,U, H ) и
физической структур G^^ (А, B,U, H, R, Ял )
региональной транспортной сети связи.
и
покрывающих множеств Сш)п (П? ), С(П 2 ), при которых отклонения целевых функций от своих оптимальных значений минимальны.
Библиография
[1]. Крухмалев В. В., Гордиенко В. Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. Учебник для вузов. - М.: Горячая линия -Телеком, 2004. - 540 с.
[2]. Лебедев А. Т., Лебедев И. А., Тумановский В. В. Построение региональных первичных цифровых сетей связи. Научно-технический сборник. Телекоммуникационные технологии. Выпуск 1. -СПб.: ГУП НИИ «Рубин», 2000. - С. 132-139.
[3]. Лебедев А. Т., Муравцов А. А. Оптимизация топологической структуры РЦТСС // Мобильные системы. - 2007. -№ 2.- С. 40-44.
[4]. Глушков В. М. Синтез цифровых авроматов. - М.: Физматгиз, 1962. - 476 с.
[5]. Михалевич В. С., Волкович В. Л. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. - М.: Наука.
Главная редакция физико-математической литературы, 1982. -286с.
Formation of the transport network structure
S.P. Kovalskiy, N.I. Fokin, R.M. Abdurazakov, M.V. Nikitin
Abstract - The article discusses and substantiates the general methodology of solving the problem of synthesis of the regional transport communication network structure. The synthesis problem is formulated as a multi criteria since a constructive solution of the problem in general terms is not possible. It is considered one of the solutions approach, consisting in decomposition of the problem into a series of mutually relatively loosely coupled synthesis sub-problem of interleaved topological, streaming and physical structures of the regional transport communication network.
Keywords - transport network, multiproduct network, structure optimization, multi-criteria optimization, quasi-homogeneous structure.
