Методика формирования сети тактовой сетевой синхронизации и управления ею в условиях перехода к NGN Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ^ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ

УДК 656.254.7

А. М. Александров, А. К. Канаев, Е. В. Опарин, А. С. Ванчиков

МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ СЕТИ ТАКТОВОЙ СЕТЕВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ЕЮ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА К NGN

В статье приведена методика формирования и восстановления сетей синхронизации, для описания структур которых используются остовные деревья. Методика позволяет полностью формализовать и автоматизировать процесс формирования сети синхронизации сетей связи следующего поколения, что позволит обеспечить заданные показатели качества доставки сигналов синхронизации.

сеть синхронизации, сеть связи следующего поколения.

Введение

В настоящее время наблюдается процесс конвергенции различных сетей электросвязи с поэтапным переходом к сетям NGN (Next Generation Network - сеть следующего поколения). NGN представляет собой мультисервисную сеть, ядром которой является IP-сеть, поддерживающая полную интеграцию услуг передачи речи, данных и мультимедиа [1].

Устойчивое функционирование сети NGN и предоставление ею услуг связи заданного качества обеспечивается сетью тактовой сетевой синхронизации (ТСС). Основной задачей сети ТСС является обеспечение единой часто-

7

ты генераторного оборудования (ГО) устройств NGN путем удовлетворения требований по точности установки частоты с учетом разнородного состава технологий (ПЦИ, СЦИ, Ethernet) в составе маршрута передачи сигналов синхронизации [2]. Это позволяет вести передачу и прием данных на одной скорости без проскальзываний, т. е. обеспечиваются требования по своевременности и достоверности доставки информации.

1 Основные этапы методики формирования сети тактовой сетевой синхронизации и управления ею

Задачу формирования ТСС NGN целесообразно разбить на ряд взаимосвязанных подзадач [3], [4].

1. Определение узловой основы: размещение основного и альтернативных ПЭГ с учетом влияния их размещения на показатели отказоустойчивости сети ТСС.

2. Формирование структуры сети ТСС, рациональной по интегральному критерию качества.

3. Оценка формируемой структуры сети ТСС по критериям стоимости, функциональной отказоустойчивости и оперативности восстановления.

4. Обеспечение сети ТСС ресурсами, необходимыми для восстановления структуры сети ТСС в условиях отказов при минимизации временных, вычислительных и сетевых ресурсов.

Совокупность выделенных частных задач решается с использованием теории графов и разбивается на последовательность шагов.

Шаг 1. В терминах теории графов NGN может быть представлена в виде Gngn = (А, В), где А = {a}, i = 1,N, - множество узлов NGN, соответствующих вершинам а в которых размещаются элементы сети ТСС (ПЭГ, ВЗГ, МЗГ, ГСЭ), В = {bj}, i ф j = 1, N, представляет собой совокупность ребер b по которым распределяются сигналы синхронизации до ГО узлов а.

Шаг 2. Анализ возможных структур графа [5] выявил, что граф, представляющий собой остовное дерево (ОД), отвечает основным требованиям к структуре сети ТСС, таким как отсутствие петель, наличие вершины, от которой возможно сформировать маршруты до всех вершин графа. Тогда для определения узловой основы сетевой синхронизации на заданной структуре NGN формируется совокупность незамкнутых направленных маршрутов в виде остовных деревьев G^.

Шаг 3. Основным критерием формирования структуры сети ТСС, обеспечивающим качество доставки сигнала синхронизации до элементов NGN, является минимум суммы длин маршрутов от узла, в котором размещен ПЭГ, до последних узлов в элементарных цепочках, называемых висячими вершинами.

8

Размещать основной и альтернативные ПЭГ целесообразно в узле, который является медианой графа. Для анализа структуры сети ТСС введено модифицированное понятие медианы графа - медиана висячих вершин (МВВ), т. е. медиана только для узлов со степенью единица.

С учетом [6] МВВ можно определить на основе передаточного числа для каждой висячей вершины при условии минимума передаточного числа:

) = Z d(а , ам); (1)

Щ ,атеА

аМВВ = minKarn )L (2)

где ат - висячие вершины остовного дерева; d(a, ат) - расстояние между вершинами а и а .

т

Таким образом выявлено, что существует множество остовных деревьев, имеющих общую медиану. В этом случае из всей совокупности ОД-GN^ можно выделить группы ОД, имеющие общие медианы. Для этого из полного набора остовных деревьев графа необходимо выделить группы ОД-S од = {Sp v},

имеющие общую медиану, где N_G(NGn - число групп ОД в полном наборе ОД;

v - число элементов в р-й группе.

Шаг 4. Для обеспечения доставки сигнала синхронизации заданного качества до узлов NGN на всех этапах функционирования необходимо выбрать из набора групп ОД-S од одну группу, которая обеспечит наилучшие

показатели качества доставки синхросигналов и позволит минимизировать временные, вычислительные и сетевые ресурсы при организации процесса восстановления структуры сети синхронизации.

Критериями выбора такой группы являются:

- количество возможных реконфигураций структуры сети синхронизации вследствие отказов в сети с выбранным ПЭГ, определяемое числом v остовных деревьев в р-группе;

- интегральный коэффициент качества по показателю длины остовного

дерева Z

^ Ашх—Ц_, определяющий значения величин фазовых дрожаний

=1 Lmax Lmin

и фазовых блужданий, где L - сумма длин ветвей 1-го ОД из р-й группы ОД; - интегральный коэффициент качества по показателю числа узлов в

маршруте передачи сигналов синхронизации Z

п;

=1 Пт

п

где п - число

узлов во всех маршрутах 1-го ОД из р-й группы ОД;

- интегральный коэффициент качества по показателю типа технологий (ПЦИ СЦИ, Ethernet) в маршруте передачи сигналов синхронизации

v h — hZ—max —, где h - условный критерий качества 1-го ОД из р-й группы ОД.

-=1 hmax hmin

9

В этом случае групповой интегральный коэффициент качества Yp группы ОД можно представить в виде:

(

Y p =Z

i=1

Lmax Li

V Lmax Lmin У

У

+1

и — n

max i

f

i =1 V nmax Nmin У

h — h

"max 'h

i =1 V hmax - hmi

(3)

min У

a

a

a

2

3

где a a2, a3 - весовой коэффициент, отражающий степень важности критерия; v - число остовных деревьев в группе; L , n , h , L . , n . , h - соответственно максимальные и минимальные значения длины ОД, числа транзитных узлов и условного показателя качества в ветвях полного набора остовных деревьев G££n.

На основе полученных групповых интегральных коэффициентов производится выбор группы, обладающей наилучшим значением группового интегрального коэффициент качества путем поиска группы с максимальным значением Y ^ max.

1 Р

Шаг 5. Для найденной основной группы остовных деревьев Sp v осн медиана aMBB является корневой вершиной, обладает всеми свойствами, необходимыми для размещения ПЭГ, и обеспечивает процесс восстановления структуры сети синхронизации с сохранением свойств, обусловливающих высокие значения качества доставки сигналов синхронизации. Таким образом в узле aMBB р размещается основной ПЭГ и приводится в готовность к целевому применению.

Шаг 6. Для обеспечения доставки сигнала синхронизации заданного качества до узлов ТрСС на выбранной группе Sp v осн для каждого ОД необходимо рассчитать показатели качества и произвести ранжирование на основании интегрального показателя качества.

Так формируется последовательность структур остовных деревьев группы Sp v осн с соответствующими им интегральными коэффициентами качества. Порядок ранжирования элементов этой последовательности определяется выражением k^j ^ k^j+i.

Шаг 7. В соответствии с выбранными частными критериями и способом их нормирования определяем структуру остовного дерева, обладающую наилучшими свойствами с точки зрения доставки сигналов синхронизации в NGN до всех узлов ОД. Ей соответствует ОД с минимальными значением интегрального показателя качества и находится с использованием полученных выше данных на основе выражения:

Sv_раб (Sp,v_ осн ) kV i, (4)

sv _ раб eSp ,v _ осн ^

где sv раб - найденная рабочая структура сети синхронизации.

Шаг 8. Полученную рабочую структуру сети ТСС целесообразно оценить дополнительно по следующим критериям:

10

- капитальные затраты на строительство;

- функциональная отказоустойчивость.

Для определения капитальных затрат на строительство сети NGN предлагается использовать следующее выражение:

N М Г W

м = I KSi +1 yy + I kpSp + у lsz , (5)

i=1 j=1 p =1 z=1

где S - стоимость ГО; к - коэффициент, отражающий соотношение стоимости ГО и аппаратуры распределения сигналов синхронизации для различных видов ГО соответственно: i - ПЭГ, j - ВЗГ p - ГСЭ, z - генератор сетевого элемента Ethernet (EEC).

Расчетные выражения для оценки отказоустойчивости целесообразно получить также для маршрутов доставки сигналов синхронизации. Если длина путей в маршруте синхронизации ограничена допустимым числом уг ГЭС или EEC, а способ распределения сигналов синхронизации предусматривает использование лишь L путей из общего их количества, определяемого структурой сети синхронизации, то выражение для расчета функциональной отказоустойчивости Н(G) сети может быть записано следующим образом [7]:

H(G) > 1 - (1 - (6)

где q - вероятность работоспособности ГО узла связи; 2уг + 3 - максимально допустимое число ветвей и ГО в i-м остове (дереве) графа G£Gn; L(G) -максимально допустимое способом распределения число остовов, попарно

не имеющих в графе GNGn сети связи общих ребер, причем L(G) е 1 pmin.

Шаг 9. В случае отказа ветвей ОД сети ТСС NGN необходимо в группе основных ОД-S осн выбрать ОД, которое обладало бы наилучшим интегральным коэффициентом качества и при этом требовало бы минимального количества вновь вводимых элементов сети. Выполнение указанных условий обеспечит доставку сигналов синхронизации без снижения качества и восстановление за минимальное время. Определение рационального в указанном смысле остовного дерева производится путем отыскания минимального расстояния от отказавшей структуры ОД до остовного дерева из множества Spv осн. Решение указанной многокритериальной задачи производится на основе следующего выражения:

Sv _ раб (Sp ,v _ осн -

max

sv _ pa6eSp,v _ осн

(kI i - ^kR”)

vj

(7)

11

где AkR - изменение интегрального показателя качества при минимальном расстоянии Rv. между отказавшей структурой сети синхронизации и структурой выбранного ОД для восстановления.

Таким образом, расположение ПЭГ не изменилось, а связанность структуры сети синхронизации Gcc раб восстановлена за минимальное время.

Шаг 10. Для обеспечения процесса восстановления в условиях отказов ПЭГ и в целях обеспечения наилучших показателей качества доставки синхросигналов и минимизации временных, вычислительных и сетевых ресурсов необходимо: в соответствии с шагом 4 и выражением (3) рассчитать групповые интегральные коэффициенты качества для оставшихся групп остовных деревьев S . Затем провести их ранжирование по возраста-

N _ Gngn

нию. На основе заданных требований по живучести и отказоустойчивости сети выбираем г первых групп ОД.

Шаг 11. Внутри каждой группы ОД производится ранжирование в соответствии с шагом 6 остовных деревьев на основе интегрального критерия качества остовного дерева. В случае отказа ПЭГ производится выбор группы ОД с наилучшим групповым интегральным коэффициентом качества. Найденная Sp v альт (альтернативная группа ОД деревьев) подвергается процедуре формирования рабочей структуры сети синхронизации с соответствующей новой вершиной размещения ПЭГ аМВВ

Заключение

Таким образом восстановлена связанная структура сети ТСС NGN с собственным ПЭГ, рациональная по интегральному критерию качества доставки сигналов синхронизации и обеспеченная структурным резервом для восстановления.

Библиографический список

1. Сети связи : учебник для вузов / Б. С. Гольдштейн, Н. А. Соколов, Г. Г. Яновский. -СПб. : БХВ-Петербург, 2011. - 400 с. - ISBN 978-5-9775-0474-4.

2. Формирование элементов интеллектуальной системы управления сетью тактовой сетевой синхронизации в телекоммуникационной системе ОАО «РЖД» / А. К. Канаев, В. В. Кренев, Е. В. Опарин // Интеллектуальные системы на транспорте : материалы I Международной научно-практической конференции «ИнтеллектТранс-2011». - СПб. : ПГУПС, 2011. - С. 227-284.

3. Тактовая сетевая синхронизация / П. Н. Давыдкин, М. Н. Колтунов, А. В. Рыжков. - М. : Эко-Трендз, 2004. - 205 с.

12

4. Обеспечение отказоустойчивости сети тактовой сетевой синхронизации / А. К. Канаев // Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности : сборник трудов I Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 2005. - СПб. : Политехнический университет, 2005. - С. 74-77.

5. Синхронизация в телекоммуникационных системах. Анализ инженерных решений / С. М. Сухман, А. В. Бернов, Б. В. Шевкопляс. - М. : Эко-Трендз, 2003. - 272 с.

6. Теория графов. Алгоритмический подход / Н. Кристофидес ; пер. с англ. - М. : Мир, 1978. - 432 с.

7. Новые технологии построения технических систем электросвязи / С. В. Ионов, А. М. Лихачев, А. С. Сборцев, В. Е. Кузнецов. - М. : МО РФ, 2002. - 442 с.

© Александров А. М., Канаев А. К., Опарин Е. В., Ванчиков А. С., 2012

13