Программно-алгоритмическое обеспечение для реализации нового подхода к построению единой транспортной сети связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

УДК 004.42 Дата подачи статьи: 06.10.2014

DOI: 10.15827/0236-235X.108.242-246

ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ НОВОГО ПОДХОДА К ПОСТРОЕНИЮ ЕДИНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ СВЯЗИ

Г.В. Попков, к.т.н., доцент, glebpopkov@fambler.ru (Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, ул. Кирова, 86, г. Новосибирск, 630102, Россия)

В работе рассматривается новый программно-алгоритмический подход к построению и эксплуатации городских первичных сетей электросвязи, который исходит из того, что владельцем и оператором всех кабельных сетей, находящихся в подземной части населенного пункта, является государственная организация, сдающая в аренду каналы связи коммерческим операторам связи на конкурсной основе. Такой подход позволяет значительно сэкономить градостроительные ресурсы, обеспечивая потенциальных абонентов всеми услугами электросвязи. Кроме того, все операторы связи в этом случае имеют равные возможности предоставления доступа абонентам к любой услуге связи.

Автором предложен S-гиперсетевой подход к решению задач по организации единой транспортной сети связи. Предложены модифицированные алгоритмы поиска мест расположения сетевых станций и границ распределительных сетей для каждого типа кабельных линий, оптимизации кабельной канализации микрорайона, оптимальной трассировки, выбора оптимальных структур кабельных линий связи j -го типа, определение типа и емкости линий связи j-го типа, а также процедура оптимальной упаковки кабельных линий в асбестоцементных трубах (кабельных каналах). Унификация решений при проектировании, строительстве и дальнейшей эксплуатации единой транспортной сети связи под управлением государственного регулятора позволит упорядочить взаимоотношения между операторами связи, а также повысить социальный и экономический эффект от предоставления всевозможных услуг сетей электросвязи.

Ключевые слова: сети электросвязи, гиперсети, S-гиперсети, сети доступа, алгоритмы синтеза сетей.

Как известно, автоматизированная единая сеть связи иерархично подразделяется на магистральные и внутризоновые сети, затем местные сети (городские и сельские), к которым подключаются сети доступа, то есть сети абонентской разводки внутри жилых зданий или производственных помещений (ГОСТ 22348-86). В общем случае для сетей предусматриваются одновременно все варианты доступа (симметричные, коаксиальные кабели, волоконно-оптические линии связи и системы радиодоступа). Такой подход обусловлен возможным разнообразием услуг в каждой точке доступа, а также тем, что в каждой из таких точек возможно подключение всего спектра услуг, связанных с использованием различных систем передачи.

Кроме того, наличие различных вариантов доступа может повысить живучесть вторичных сетей для отдельных абонентов.

Задача разбиения территории населенного пункта на микрорайоны

Очевидно, что прокладка сетей связи идет параллельно со строительством зданий. Как правило, территория разбивается на микрорайоны, то есть на достаточно локальные участки, на которых дома связаны траншеями кабельной канализации, в том числе кабельными системами связи (сетями доступа). Траншеи для сетей связи, да и для других линейных сооружений, прокладываются во время строительства микрорайона, и, как правило, задачи оптимизации при этом не ставятся. Г лавное в данном случае - целесообразность строительст-

ва и удобство эксплуатации (обслуживание, ремонт и развитие). Однако для обеспечения качества обслуживания и повышения живучести распределительной сети желательно, чтобы связность сети кабельной канализации была не меньше двух. Очевидно, что потенциальная связность (в теории гиперсетей квазисвязность [1]) кабельных линий также должна быть не меньше двух.

Задача поиска распределительной сети микрорайона

В связи с возникновением проблем, связанных с развитием сетей связи и необходимой гибкостью распределительной сети, построение единой транспортной сети связи (ЕТСС) разбивается на три важные составляющие: первая - построение сети кабельной канализации, вторая - построение местной сети кабельных линий и третья - построение распределительной сети. Причем во втором случае мы должны рассмотреть как развитие сетей, так и их реконструкцию.

Для этой цели на местных и распределительных сетях ЕТСС предусматриваются резервирование сетевых станций и сетевых узлов (СУ), а также наличие горизонтальных связей между соседними СУ для увеличения гибкости данной сети. В дальнейшем эти задачи могут решаться самостоятельно, причем в задаче поиска сети кабельной канализации обязательно учитываются возможные структуры наиболее мощных вторичных сетей.

При построении распределительной сети необходимо учесть следующее:

242

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

- весь спектр услуг электросвязи должен быть потенциально доступным для любого здания (помещения) города;

- линейные сооружения должны органично вписываться в городское или сельское пространство и не противоречить их градостроительным факторам;

- полезный объем кабельной канализации должен быть достаточным для реализации всех услуг электросвязи (в отдельных случаях сюда могут быть включены и другие инженерные сооружения);

- с целью повышения живучести необходимо повысить связность распределительной сети до двух или в отдельных случаях до трех; при этом связность кабельной канализации необязательно должна быть больше единицы;

- предполагается, что в качестве систем передачи на участке распределительной сети в основном рассматриваются кабельные медные и оптические линии, в отдельных случаях - радиоканалы; эти линии используются в современных сетях связи для предоставления всего спектра услуг электросвязи.

Для решения поставленных задач необходимо сделать следующее.

1. На территории микрорайона найти места расположения сетевых станций (места перехода городских (магистральных) линий связи в распределительную сеть). Данная задача может оказаться неоптимизационной в силу незначительного числа мест расположения сетевых узлов для организации соединений линий соответствующих сетей связи.

2. На этой же территории найти оптимальную структуру кабельной канализации. Желательно, чтобы в выделенных районах она была двусвязной.

3. Найти структуры, номенклатуру и пропускную способность линий для всего спектра услуг электросвязи на участке распределительной сети.

4. Найти оптимальную трассировку линий связи с учетом ограничений, связанных с требованием живучести соответствующих узлов сети. Очевидно, что решением данной задачи будет некоторая оптимальная иерархическая S-гиперсеть S(X(Y(ZJ))), где X - множество узлов на графе ситуационных трасс микрорайона; Y - множество узлов кабельной канализации; Z3 - множество узлов сети с кабельными линиями типа j. Таким образом, каждому j-му типу кабельных линий соответствуют графы {SKLJ=(ZJ, UJ)}, которые должны быть вложены в граф кабельной канализации SKK= (Y, E). В свою очередь, граф кабельной канализации вкладывается в граф ситуационных трасс микрорайона. Очевидно, что полученная S-гиперсеть S(X(Y(ZJ))) определяет структуру первичной сети связи микрорайона. В общем случае на этом этапе должны быть предложены несколь-

ко вариантов распределительных сетей, близких по стоимости. Окончательно точки включения распределительных сетей в магистральную определяются при оптимизации магистральной транспортной сети города или населенного пункта.

Опишем алгоритм построения данной S-гиперсети. Он состоит из следующих процедур.

А1 - поиск мест расположения сетевых станций и границ распределительных сетей для каждого типа кабельных линий. Эта процедура может быть использована для поиска как границ распределительных сетей, так и мест расположения сетевых станций и узлов магистральной городской сети электросвязи.

А2 - оптимизация кабельной канализации микрорайона. Эта процедура заключается в поиске оптимальной структуры кабельной канализации для размещения распределительной сети связи в выделенном районе города. Она работает для всех микрорайонов города.

А3 - оптимизация трассировки, определение типа и емкости линий связи j-го типа. В общем случае от СУ j-го типа (СУД должны быть организованы прямые провода в кабельный ввод каждого здания.

А4 - выбор оптимальных структур кабельных линий связи j-го типа. На этом этапе для каждой сети на распределительном участке выбираются соответствующие номенклатура и состав кабельных систем передачи, а также оптимальная трассировка кабельных систем передачи.

А5 - оптимальная упаковка кабельных линий j-го типа в асбестоцементных трубах (кабельных каналах). Данная процедура позволяет экономить на использовании кабельных каналов.

Процедура А]. Пусть заданы структуры и емкости соответствующих линий для всех транспортных сетей, а также соответствующие нормы по затуханию.

Шаг 1. Для каждой линии связи j-го типа транспортной сети в графе ситуационных трасс найдем кратчайший путь между СУ,- и кабельными вводами в здания (КВЗ).

Шаг 2. Для каждого пучка каналов (xp, х,) транспортной сети между узлом связи xp и кабельным вводом в здание х,, идущим по трассе на графе ситуационных трасс, каждой вершине этой трассы будем сопоставлять число nj, равное соответствующей емкости для услуг связи в здании х,. После выполнения данной процедуры для всех пучков каналов получим для каждой вершины xj

вектор xfn), n2,..., , определяющий прохож-

дение соответствующих пучков емкости nt через вершину х,.

Множеству векторов xfn), n],..., сопос-

тавим прямоугольную матрицу вида W = {Ъ3}, где i = 1, ..., g; j = 1, ..., mA,

243

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

IУ, если нагрузка из xj узла

У = <! идет через вершину х,,

lo' в противном случае.

mA

Шаг 3. В матрице W найдем £ У = ст(х). По-

j=1

строим двудольный граф K = (X, Y; U) следующим образом: множеству вершин xek сопоставим вершины х[ е x £ x, а множеству yek сопоставим

вершины х', то есть вершины, которым соответствуют здания, куда необходимо подвести пучки каналов транспортной сети. Очевидно, что множество вершин x' претендует на место расположения СУ. Вершины xi и у, будут смежными, если абонент у- соединится с узлом связи через вершину xi.

Шаг 4. В полученном двудольном графе K = (X, Y; U) найдем независимое максимальное множество вершин х* с х1, такое, что V xk, xc е X* K[ xk ] n K[ xc ] = 0.

Шаг 5. Найденное множество вершин занесем

в список (5[X] := 8[Х] ^ X ), определяющий места расположения СУ и соответствующие границы узловых районов. Если все вершины (абоненты) подключены к СУ или к сетевой станции, то перейдем на шаг 7, иначе на шаг 6.

Шаг 6. Удалим из исходного графа вершины

л

из списка 5”[Х] и соответствующие пучки каналов и перейдем к шагу 2.

л

Шаг 7. В списке S[X] перечислим вершины, в

которых необходимо расположить СУ,- соответствующей емкости, а множество вершин {у-} для каждой х, определяют зону влияния СУ,.

Шаг 8. Перейдем к определению мест расположения СУ- для кабелей j+1 видаj:=j+1. Если все типы линий закончились, то конец, иначе переход на шаг 1.

Процедура А у

Шаг 1. На графе ситуационных трасс микрорайона существующая кабельная канализация, способная пропустить необходимое число кабельных линий, будет иметь нулевую цену. Если необходима реконструкция или докладка асбоцементных труб по участкам существующей канализации, стоимость этого участка определяется согласно расценкам на данный вид работ.

Далее будем последовательно добавлять новые участки кабельной канализации.

Шаг 2. Находим кратчайшее расстояние в графе ситуационных трасс согласно структурам вторичных сетей и весам ребер этого графа. После реализации всех ребер будет найдена некоторая структура кабельной канализации.

Примечание: при реализации каждого ребра транспортной сети необходимо знать удельную стоимость соответствующего кабеля, чтобы определить вес ветви графа ситуационных трасс, который будет складываться из двух составляющих, V(У) = l(yj )8(йу,zt) +1(yj)8(ly, ю*), если на участке y,j отсутствует кабельная канализация, и v( у у) = l(ytj )8(l1, ю), если кабельная канализация

на данном участке имеется и по ней можно пропустить необходимые кабельные линии, где 8(bl, ю) - удельная стоимость линии связи объема rak типа I, а 8(а,, Zt) - удельная стоимость кабельной канализации объема Zt на 1 км длины.

Шаг 3. Вычислим в каждой ветви y,eY графа ситуационных трасс NO число S(y) ребер графов вторичных сетей, проходящих в данной ветви.

Если S(yj) > Pp, где Pp - параметр алгоритма для р-й итерации, то на ветви у- организуется участок кабельной канализации и стоимость (вес) этого участка (для следующих итераций) будет уменьшена на стоимость строительства кабельной канализации на этом участке.

Шаг 4. Процедуры 2 и 3 повторяются до тех пор, пока для всех кабельных линий не будет заведена кабельная канализация.

Построение транспортной сети связи города

Задача построения ЕТСС включает для каждого j-го типа линии связи определение

- типа, числа и мест расположения СУ,, оптических и медных кроссов;

- типа, емкости и трасс кабельных линий;

- горизонтальных связей между СУ, для повышения живучести и гибкости сети, в частности, для удовлетворения связей по другим вторичным сетям.

При этом должны быть соблюдены следующие ограничения:

- длина кабельной линии (определенного типа) от СУ до абонента должна удовлетворять нормам по затуханию для каждого типа линии связи;

- емкость кабельных линий должна быть дискретной и не превышать на отдельных участках максимальную емкость кабельной канализации;

- тип кабельных линий должен соответствовать нормам для использования на городских сетях.

Для решения поставленной задачи необходимо знать структуру не только основных, но и вторичных сетей, в частности, сетей охранной и пожарной сигнализации, абонентского радио и других. Выбор мест расположения СУ, в основном будет определяться близостью соответствующих точек подключения конечных пользователей к сильно

244

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

разветвленной распределительной сети (сеть от АТС или концентратора до СУ,- называется магистральной). Так как емкость СУ, бывает различных типов, это в основном и будет влиять на выбор места расположения СУ. Узлы будут получаться автоматически в местах разветвления кабельных линий, то же касается и оптических кроссов.

Процедура А3.

Шаг 1. Трассировка пучков каналов. Так как в алгоритме А2 определена сеть кабельной канализации, задача трассировки между пунктами связи (включая кабельные вводы в здания) решается поиском кратчайших цепей между соответствующими пунктами в графе кабельной канализации. Далее после трассировки пунктов ребра сети кабельной канализации, не занятые пучками каналов, удаляются.

Шаг 2. Определение множества сетевых узлов и структуры первичной сети:

- на графе кабельной канализации выделяются вершины X со степенями больше двух; эти вершины, возможно, будут сетевыми узлами после слияния однотипных пучков; в любом случае СУ, уже являются сетевыми узлами;

- между смежными вершинами из Xе определим однотипные пучки каналов и объединим их в кабельные линии соответствующего типа согласно номенклатуре кабельной продукции; на этом шаге сокращаются капитальные затраты за счет увеличения емкости кабелей по направлениям;

- если после такого объединения возникает «вилка», то есть требуется установить муфту, то данный колодец (вершина х, е Xе) вместе с муфтой (кроссом) объявляется сетевым узлом; при этом может оказаться, что кабели других типов идут транзитом через данный узел; очевидно, что после такой операции мы получим базисную основу сети кабельных линий (транспортную сеть).

Процедура А4. При проектировании транспортных сетей обязательно учитывается ряд обстоятельств:

- резервирование каналов кабельной канализации;

- резервирование пар (жил) в медных кабелях и оптических волокон в оптических кабелях;

- резервирование кроссового оборудования на СУ и распределительных коробках в зданиях;

- организация горизонтальных связей между СУ для увеличения гибкости ЕТСС;

- ремонтопригодность сети и ее возможное развитие во времени.

Таким образом, сеть будет создана в полном объеме, если будут выполнены и эти условия.

Шаг 1. На плане города (сеть ситуационных трасс) определим места расположения дополнительных субъектов, нуждающихся в услугах связи. Например, ВОХР, пожарная часть, военные части и т.д.

Шаг 2. Для данных субъектов определим основных потребителей, построим структуры соответствующих вторичных сетей и определим потребность в каналах связи. Эта работа выполняется на основе ведомственных методик по организации связи в соответствующих подразделениях (ГОСТ Р50889-96).

Шаг 3. Множество узлов дополнительных служебных и отраслевых сетей привязываются к вершинам (узлам) найденной структуры сети кабельной канализации. Причем потребители (абоненты) новых сетей привязываются к соответствующим ближайшим СУ или узлам связи транспортной сети.

Шаг 4. Трассировка новых линий связи осуществляется по кратчайшим цепям на графе кабельной канализации KO = (Х0 э Хх, A).

Шаг 5. Полученные пучки каналов добавляются к уже найденным кабельным линиям соответствующего типа, и окончательно определяется емкость этих линий с учетом заданных норм на резервирование линий и кроссовое оборудование.

В связи с этим могут появиться линии связи между СУ за счет организации необходимых связей между домами из различных узловых районов. Например, для организации диспетчерской связи для управления лифтами или для перераспределения каналов тональной частоты между СУ и т.д.

Процедура А5. В данной процедуре определяется емкость (число каналов) кабельной канализации, то есть проводится оптимизация вложения кабельных линий в каналы кабельной канализации (задача упаковки этих линий легко сводится к NP-полной задаче об упаковке [2]) и норм на резервирование каналов в сети кабельной канализации [3-5]. А затем определяется емкость колодцев этой сети.

В данном случае нет необходимости в поиске точного решения, так как условия прокладки в трубах предполагают, с одной стороны, относительно свободное пространство для удобства монтирования (укладки) кабельных линий, а с другой, наличие запаса свободных кабельных каналов для модификации и развития городских транспортных сетей [6]. Таким образом, суть оптимизации для этой задачи заключается в том, чтобы в кабельной канализации лежало необходимое и достаточное число труб. Такой подход в случае организации сети ЕТСС позволит упорядочить взаимодействие между операторами связи и при наличии государственного регулятора повысит социальную и экономическую эффективность в предоставлении услуг сетей электросвязи [7-9].

Таким образом, авторами разработан программно-алгоритмический подход к планированию и проектированию первичных сетей электросвязи с учетом множества факторов, влияющих на конкретные управленческие решения. В условиях

245

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

современной тенденции к конвергенции сетей электросвязи на всех уровнях он может оказаться оптимальным с точки зрения предоставления всех возможных услуг сетей электросвязи. Данный подход хорошо зарекомендовал себя при создании реальных систем проектирования инженерных сетей различного назначения и прежде всего первичных сетей электросвязи для проектных институтов в области сетей электросвязи.

Литература

1. Попков Г.В., Попков В.К., Величко В.В. Математические основы моделирования сетей связи. М.: Горячая линия-Телеком, 2012. 182 с.

2. Руднев А.С. Алгоритмы локального поиска для задач двумерной упаковки: Дис...к.ф.-м.н. Н.: Изд-во Новосибирского гос. ун-та, 2010. 19 с.

3. Бесслер Р., Дойч А. Проектирование сетей связи. М.: Радио и связь, 1988. 272 с.

4. Гроднев И.И., Верник С.М., Кочаловский Л.Н. Линии связи. М.: Радио и связь, 1995. 489 с.

5. Дубровский Е.П. Канализационно-кабельные сооружения связи. М.: Высш. школа, 1991. 320 с.

6. Соколов Н.А. Задачи планирования сетей электросвязи. СПб: Техника связи, 2012. 428 с.

7. Гольдштейн Б.С., Кучерявый А.Е. Сети связи пост-NGN. СПб: БХВ-Петербург, 2013. 160 с.

8. Иньевски К. Конвергенция мобильных и стационарных сетей следующего поколения. М.: Техносфера, 2012. 808 с.

9. Рязанова В.А., Люшина Э.Ю. Организация и планирование производства. М.: Academia, 2010. 272 с.

DOI: 10.15827/0236-235X.108.242-246 Received 06.10.2014

SOFTWARE AND ALGORITHMIC SUPPORT FOR IMPLEMENTATION OF A NEW APPROACH TO THE CONSTRUCTION OF AN INTEGRATED TRANSPORT NETWORK

Popkov G.V., Ph.D. (Engineering), Associate Professor, glebpopkov@rambler.ru (Siberian State University of Telecommunications and Information Sciences,

Kirova St. 86, Novosibirsk, 630102, Russian Federation)

Abstract. The paper considers a new algorithm and software approach to construction and operation of urban primary telecommunications networks. It assumes that the owner and operator of all cable networks in the underground part of a settlement is the Government Organization leasing the channels of communication to all commercial operators on a competitive basis. This approach allows saving town-planning resources while satisfying all potential subscribers by all telecommunication services. In addition, all operators in this case are equal in their ability to have access to any communication services by any subscribers.

The author proposes an S hyper network approach to solve the problem of organizing a unified transport network (ITSS). He suggests modified algorithms for finding the locations of network stations and distribution networks boundaries for each type of cable lines, a neighborhood cable ducts optimization, optimal routing, selection of optimal structures of j-type cable lines, determining the type and capacity of j-type communication lines, as well as optimal packing of cable lines in the asbestos cement pipes (conduits). Solutions unification for the design, construction and subsequent operation of ITSS running by state regulator will allow regulating relationships between telecom operators, as well as improving social and economic benefits from the provision of various services of telecommunication networks.

Keywords: telecommunication networks, hyper network, S hyper networks, access networks, algorithms for networks synthesis.

References

1. Popkov G.V., Popkov V.K., Velichko V.V. Matematicheskie osnovy modelirovaniya setey svyazi [Mathematical Basics for Modeling Telecommunication Networks]. Moscow, Goryachaya Liniya-Telekom Publ., 2012, 182 p.

2. Rudnev A.S. Algoritmy lokalnogo poiska dlya zadach dvumernoy upakovki [Local Search Algorithms for TwoDimensional Package Tasks]. PhD Thesis. Novosibirsk, 2010, 19 p.

3. Bessler R., Deutsch A. Nachrichtennetze. Berlin (Russ. ed.: Abramov B.N., Pankin A.V. Moscow, Radio i Svyaz Publ., 1988, 272 p.).

4. Grodnev I.I., Vernik S.M., Kochalovskiy L.N. Linii svyazi [Communications Links]. Moscow, Radio i Svyaz Publ., 1995, 489 p.

5. Dubrovskiy E.P. Kanalizatsionno-kabelnye sooruzheniya svyazi [Cable Ducts Communication Facilities]. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 1991, 320 p.

6. Sokolov N.A. Zadachi planirovaniya setey elektrosvyazi [Planning problems for telecommunication networks]. St. Petersburg, Tekhnika Svyazi Publ., 2012, 428 p.

7. Goldshteyn B.S., Kucheryavy A.E. Seti svyazi post-NGN [Post-NGN Telecommunication Networks]. St. Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2013, 160 p.

8. Inyevski K. Konvergentsiya mobilnykh i statsionarnykh setey sleduyushchego pokoleniya NGN [Next Generation Mobile and Fixed Networks Convergence]. Tekhnosfera Publ., 2012, 808 p.

9. Ryazanova V.A., Lyushina E.Yu. Organizatsiya iplanirovanieproizvodstva [Production Planning and Management]. Academia Publ., 2010, 272 p.

246