Оптимальное развитие структуры сети

Проблема построения структуры сети, с учетом развития, может быть искусственно разделена на две части:
а) синтез структуры сети на конечный период проектирования;

б) оптимальное развитие сети от начального до конечного периода проектирования с указанием очередности введения отдельных элементов сети и изменения параметров сети по времени.
Выбор способа и очередности развития сети определяется необходимостью наиболее эффективно обеспечить потребности пользователей сети.
Рассмотрим пример развития структуры сети от начального до некоторого коне-чного момента ее развития. Структуру сети будем считать заданной графом G = {A, B), где А — множество пунктов (узлов сети), а В - множество ребер (линий связи сети). Исходными данными для решаемой задачи являются матрицы смежностиR начального G 0и конечного G графов, а также матрица тяготений (нагрузок) A =||A_ji ||, где A_ij — заданная нагрузка между соответствующими пунктами сети. Процесс развития сети будем считать происходящим по этапам t = 0, 1,…, t_max. На каждом из этапов t сеть должна иметь граф G _t. При t=0 G _t = G ₀, а при t = t_max G _t = G.

Под развитием сети (графа G _t) будем понимать определение очередности реализации ее ребер в соответствии с максимальным показателем эффективности. Для оценки эффективности процесса развития сети на каждом этапе используется отношение нагрузки, передаваемой в реализованной части сети (текущей нагрузки), к обшей нагрузке, которая передавалась бы по сети при условии се полной реализации:

η = A_t /A.

Исходная матрица нагрузок A используется для определения суммарной нагрузки между узлами сети. Суммарная нагрузка узла i на этапе t реализации сети равна сумме его исходящей нагрузки, т. е. нагрузки от узла i ко всем прочим узлам, и входящей нагрузки от всех" прочих узлов к рассматриваемому узлу i. Максимальное значение эффективности процесса развития (максимум η) на каждом этапе t определяется максимальным значением нагрузки, которую можно обслужить при реализации соответствующего ребра графа. Поэтому па каждом из этапов необходимо реализовать такое ребро графа, которое позволит передавать максимальную суммарную нагрузку. Выбор ребра, удовлетворяющего указанному условию, можно производить двумя способами:

1. Сначала определяются ребра графа, которые являются смежными (имеют хотя бы одну общую вершину) с реализованными на предыдущих этапах. Из полученного набора смежных ребер выбирается и реализуется ребро, имеющее наибольший вес (наибольшую суммарную нагрузку). Процедура повторяется до тех пор, пока не будет реализован весь граф.
2. Из набора еще нереализованных ребер графа выбирается ребро с максимальным весом и проверяется на смежность с уже реализованными ребрами. Если условие смежности выполнено, то ребро реализуется, если нет, то выбирается следующее по весу ребро. Процесс продолжается до полной реализации всех ребер.

Сравнение указанных способов выбора очередного ребра графа указывает на преимущества второго способа.

6.5 Перспективы развития сетей и услуг электросвязи

Развитие сетей электросвязи идет в следующих основных направлениях:
а) реконструкции и расширения существующих сетей на основе новейших технологий (сети NGN) с охватом все больших территорий и большего числа пользователей;
б) совершенствование качества обслуживания;
в) развитие новых видов связи, а также различных услуг как в рамках существующих сетей, так и вновь создаваемых;
г) интеграции видов связи и сетей на различных уровнях;
д) интеграции «связь—ЭВМ» в направлении создания инфокоммуника-ционной сети.
Одной из важнейших задач развития сетей связи является повышение производительности труда обслуживающего персонала. Совершенствование средств связи возможно на базе достижений микроэлектроники, освоения новых систем передачи и диапазонов при широкой автоматизации процессов проектирования, строительства, тренировки и эксплуатации, при повышении надежности аппаратуры и сети в целом.
В связи с этим перед специалистами стоят большие задачи по социально-экономическому обоснованию развития отрасли, определению потребности в различных видах связи, прогнозированию потоков сообщений, определению эффективности средств связи (включая тарифы, санкции и способы расчета с пользователями).
Наряду с «традиционными» видами связи — телефонной, телеграфной, факсимильной, звукового и телевизионного вещания и различных систем телемеханики — за последние годы получают все более широкое распространение такие виды связи, как передача данных, передача газет.

В ближайшее время можно ожидать развития объемного телевидения. Внедрение оптического кабеля приводит к совершенно новому построению сетей связи и появлению принципиально новых видов связи.
Сети передачи данных в сочетании с телефонными и сетями ЭВМ, обеспечивают пользователям различные виды телеобработки информации (проведение расчетов, получение справок и т. п.).
Наряду с появлением новых видов связи, требующих новых каналов и оконечного, а иногда и коммутационного оборудования, увеличивается число различных услуг (видов обслуживания) прежде всего в пределах существующих телефонных сетей, позволяющих абоненту экономить время как при пользовании связью, так и в других случаях. К числу таких услуг можно отнести следующие:
- Применение сокращенного набора часто вызываемых абонентов. При занятости линий повторные вызовы могут посылаться специальным устройством с помощью простого нажатия кнопки или автоматически через небольшие интервалы.

-Уменьшение числа повторных вызовов достигается применением следующих мер:
а) предупреждением вызываемого абонента специальным звуковым сигналом о том, что его вызывают;
б) подключением к разговаривающим абонентам с подачей им соответствующего звукового сигнала;
в) автоматическим установлением соединения после окончания разговора (по заказу вызывающего абонента);
г) автоматической передачей вызываемому абоненту после освобождения его линии сообщения типа: «Вас просят вызвать номер такой-то» и т. п.

- Служба отсутствующего абонента, или поиска обеспечивает установление связи с абонентом, который может менять свое местоположение. Для этой цели предусмотрены различные поисковые системы, которые передают вызов в то место, где в данный момент находится вызываемый абонент («сопровождающий вызов») или предупреждают его по радиосети или с помощью стационарных сигналов о поступлении вызовов. За отсутствующего абонента может отвечать автоматический секретарь (индивидуальный у абонента или общий на станции), который сообщает, куда ушел и когда будет абонент, записать необходимую информацию, а в некоторых случаях (по специальному коду) выдать вызывающему абоненту записанную для него информацию.

- Конференцсвязь - организация совещаний работников, находящихся в разных местах (у себя на рабочем месте или в специальных студиях), с предоставлением им возможности не только слышать, но и видеть (с использованием видеотелефона), а иногда даже и осуществлять синхронный перевод. Частным случаем такой связи является возможность циркулярного (группового) вызова.

- Выдача всевозможных справок (о погоде, расписании транспорта, состоянии дорог, наличии товаров и т. п.) и выполнение всевозможных поручений (вызов такси, заказ продуктов, билетов и т. п.), передаваемых голосом, номеронабирателем или с помощью дополнительных устройств.
- Передача «звуковых писем» — телефонограмм, различных распоряжений или сбор сведений с использованием центрального автоматического устройства записи и вызова, а также централизованное проведение стенографической записи, организация перевода, размножение, документов и т. п. Сюда же относятся получение различных консультаций, например юридических, но вопросам языка («служба языка»), приготовлению блюд и т. п., а также осуществление различных напоминаний и уведомлений абонента, например о предстоящем совещании, побудка в заданное время и т. п. Особое место занимает телефонная справочная служба, которая должна не только выдавать справки о номерах телефонов по запросам абонентов, но и автоматически сообщать им об изменении или выключении номера вызываемого абонента, о наборе несуществующего или незадействованного номера.
- Фиксация у абонентов времени разговоров, а также фиксация у вызываемого абонента номера вызывавшего, а у вызывавшего — номера ответившего для определения правильности установления связи.
- Автоматическая охранная сигнализация из помещения, где установлен телефон, о пожаре, ограблении, несчастном случае и т. п.
- Автоматическая передача в соответствующий медицинский центр сведений о состоянии больного, дистанционная медицинская диагностика, анализ кардиограмм и т. п.
- Проведение различных финансовых операций, таких, как безналичный перевод денег, оплата за услуги и покупки, выписка счетов и их оплата и т. п.
- Документирование (фиксация) информации, поступающей по телефону или на экран телевизора.
- Установление связи с ЭВМ или вычислительным центром для выполнения ими различных поручений и решения задач.
- Дистанционное управление домашними бытовыми приборами,
- Связь с подвижными объектами (автомашинами, поездами, самолетами, кораблями и т. п.), которая позволяет не только обеспечить едущего человека связью с «внешним миром», но и обеспечить управление движения и оказание в необходимых случаях помощи.
Средства связи являются важным звеном в обеспечении охраны человека, природы и окружающей среды. В США уже в 1906 г. была создана «Национальная лига спасения жизни», служащие которой, беседуя по телефону с людьми, желающими покончить жизнь самоубийством, убеждали их отказаться от этой мысли, а в Англии в 1969 г. — служба «надежды и вдохновении» для тех, кто хотел бы найти утешение в своих горестях. Подобный «добрый телефон» находит все большее распространение.

Развитие цифрового кабельного и спутникового телевидения не только улучшит качество приема и увеличит число передаваемых программ, но и в сочетании с вычислительными центрами, банками информации, фильмотеками и видеобиблиотеками позволит пользователям ознакомиться с содержанием газет как сегодняшних, так и старых, журналов и книг (а при необходимости и с выводом на печать), осуществить по заказу просмотр спектаклей, кинофильмов и других передач..

Ознакомившись с имеющимися в магазине товарами, из дома можно оформить заказ и оплатить его. Сейчас, даже трудно представить, какие удобства создадут нам средства связи, когда ЭВМ «научатся» понимать устную речь.
Реализация многих услуг достигается применением микропроцессоров, которые могут быть установлены даже в микротелефонной трубке у абонента. Микропроцессоры и микро-ЭВМ позволят проводить обработку части информации непосредственно у пользователя, что должно привести к уменьшению нагрузок на сеть связи.
Предоставление пользователям различных дополнительных услуг создаст для них удобства и даст экономию служебного и личного времени. Для сети же введение одних услуг приводит к уменьшению повторных вызовов и непроизводительных занятий каналов, в то время как другие услуги вызывают увеличение нагрузки на сеть из-за появления дополнительных вызовов. Введение всяких услуг связано с созданием соответствующих технических средств как на станциях и узлах, так и у пользователей. Большинство услуг не дает непосредственного экономического эффекта для сети связи, и за пользование ими абонент должен платить. Часто из-за отсутствия технических средств для получения платы от абонента не вводятся отдельные услуги. В настоящее время проблема оценки эффективности предоставления различных услуг еще не решена.

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные проблемы расчета, возникающие при модернизации и развитии сетей связи.

2.Какие локальные параметры относятся к технико – экономической характеристике сети связи?

3.Перечислите основные экономические показатели сети связи.

4.Почему для расчета реальных сетей связи используются приближенные (инженерные) методы расчета?

5. Сформулируйте в общем виде задачу анализа (синтеза) сети связи.

6. Перечислите специфические особенности сети как объекта для решения задач анализа и синтеза.

7. Что понимается под стационарностью сети связи при решении задач ана-

лиза и синтеза?

8. Охарактеризуйте теоретическую модель сети связи.

9. Какими параметрами характеризуется узел (линия связи) сети?

10. Что понимается под пучком каналов в теоретической модели сети связи?

11. Какие факторы определяют тип сети в ее теоретической модели?

12. Перечислите типы сетей связи при рассмотрении их теоретических моделей.

13. Укажите подтипы сетей в зависимости от удовлетворения потребности в связи между корреспондирующими узлами.

14. Какие технологические подтипы сетей можно выделить в сетях с

коммутацией?

15. Какие критерии качества обслуживания могут быть использованы для сетей различного типа (сигнальных, без коммутации, c коммутацией)?

16. Что такое целевой критерий синтеза сети связи?

17. Перечислите основные ограничения ,используемые при решении задач анализа и синтеза сете связи.

18. Какие признаки могут быть использованы для классификации задач

анализа и синтеза сетей связи?

19. Дайте определение графа как математической модели сети.

20. Что такое ориентированный граф (неориентированный, смешанный) граф?

21. Какие параметры могут быть использованы в качестве весов элементов графа?

22. Что такое ранг узла?

23. Дайте определение сечению графа. Как определить пропускную способность сечения графа?

24. Какие матрицы могут быть использованы для алгебраического представления графа?

25. Сформулируйте общий подход к решению задач анализа и синтеза сети связи.

26. Что такое коммутируемая сеть без обходных или с обходными направлениями связи?

27. Сформулируйте сущность метода эквивалентной замены.

28. Перечислите основные достоинства сети с обходными направлениями.

29. Укажите сущность итерационного метода расчета качества обслуживания в сетях с коммутацией каналов.

30. Сформулируйте задачу анализа сети связи с пакетной коммутацией.

31. Какие функции развития используются для прогнозирования телефонной плотности в настоящее время?

32. Проведите анализ логистической функции, используемой для прогнозирования телефонной плотности.

33. Сформулируйте задачу оптимального развития структуры сети связи.

34. Перечислите современные услуги, внедряемые на сетях связи.

35. Укажите основные направления развития сетей.

Список литературы

1.Форд Л., Фалкерсон Д. Потоки в сетях. – М.: Мир, 1966.-274c.

2. Давыдов Г.Б., Рогинский В.Н., Толчан А.Я. Сети электросвязи.- М.: Связь,

1977.- 279c.

3. Сети ЭВМ. Под редакцией В.М. Глушкова.- М.: Связь, 1979.- 279с.

4. Лившиц Б.С., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика.

- М.: Связь, 1979.- 224c.

5. Теория сетей связи. Под редакцией В.Н. Рогинского. – М.: Радио и связь, 1981.- 192с.

6. Бесслер Р., Дойч А. Проектирование сетей связи.-М.: Радио и связь, 1988.

- 268с.

7. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Построение сетей интегрального обслужи-вания. - Ленинград: Машиностроение, 1990.- 332c.

8. Шмалько А.В. Цифровые сети связи. Основы планирования и

построения. - М.: Эко – трендз, 2001. – 282с.

9. Битнер В.И. Качество телекоммуникационных услуг вторичных сетей.

- Новосибирск: СибГУТИ, 2003.- 151с.

10. Попков В.К. Математические модели связности. – Новосибирск: Прайс-курьер, 2006.- 490с.

11. Семенов Ю.В. Проектирование сетей связи следующего поколения.

- Санкт- Петербург, Наука и техника, 2005.- 240с.

12. Алехин В.В., Летников Л.И. Основные этапы развития и реконструкции при внедрении новых технологий. Вестник связи.- 2007.-№ 7.- С.-46 – 50.

13. Бежаева Е.Б., Егунов М.М. Проектирование ГТС на базе систем передачи синхронной цифровой иерархии. Учебное пособие. – Новосибирск: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007.- 62с.

14. Летников Л.И., Пшеничников А.П. Системный подход к реконструк-

ции сетей. Вестник связи. – 2007. - №7. – С. 46 -50.

15. Б.С. Гольдштейн, Н. А. Соколов, Г. .Г Яновский. Сети связи. Учебник для ВУЗов. СПБ.: БХВ- Петербург, 2010.- 400c.

Глоссарий

Группы характеристик сети связи:

· конструктивно-технические;

· технологические;

· эксплуатационные;

• экономические.
  
  

Конструктивно-технические характеристики сети связи включают:

· локальные параметры: емкость отдельных линий связи, величина пропускной способности каналов связи, параметры коммутационных устройств;

· глобальные характеристики: конфигурация сети линий и каналов связи, типы используемых систем связи и коммутационных устройств.

Технологические характеристики сети связи включают:

· способ доставки сообщений (без коммутации, с коммутацией каналов, сообщений или пакетов);

· вид процедуры выбора пути;

· дисциплина обслуживания вызовов или сообщений;

· технология обработки сообщений в узлах.

Эксплуатационные характеристики сети связи включают:

· вероятность своевременной доставки сообщений;

· распределение вероятности времени доставки сообщения;

· вероятность потери вызова;

· вероятность существования пути или число непересекающихся путей передачи сообщений.

Экономическим характеристикам сети связивключают:

· капитальные затраты;

· годовые эксплуатационные расходы;

· годовые доходы от эксплуатации сети;

· срок окупаемости;

· приведенные затраты;

· характеристики экономической эффективности.

Приближенные оценочные вычислительные методы – методы, используемые при расчетах сложных систем, для получения оценок иско-мых величин: инженерные методы расчета; стандартные схемы прибли-женных вычислений, как способ проб и ошибок; итеративные и монотонные шаговые процедуры.

Задач анализа сети связи– по известным конструктивно-техническим и технологическим характеристикам сети определить величины эксплуата-ционных и экономических показателей

Задача синтеза сети связи- в рамках наложенных ограничений определить конструктивно-технические и технологические характеристики таким обра-зом, чтобы эксплуатационные характеристики сети находились в пределах предписанных норм при оптимизации ее экономических показателей

Алгоритмика работы сети связи –совокупность алгоритмов, которые регламентируют сопровождающие технологические операциирасчеты(дисциплины очередей, процедуры выбора пути передачи сообщений и т. п.)

Корреспондирующая пара –два упорядоченных пункта сети, если суще-ствует потребность в связи между этими пунктами с целью доставки сообщений

Стационарность – нормальный режим работы сети, который характери-зуется следующими свойствами:

• техническая база сети и номинальные эксплуатационные параметры ее элементов остаются неизменными;
• неизменны технология обслуживания и алгоритмика действия сети;
• случайные внешние воздействия на элементы сети, вызывающие их отказы, стационарны в вероятностном смысле;
• потребность в связи неизменна;
• сеть как стохастический объект обладает эргодичностью и всегда рассматривается в состоянии статистического равновесия.

Теоретическая модель сети –совокупность пунктов и линий связи реаль-ной сети,представленная в виде графа

Узел модели – совокупность сооружений и устройств связи, расположенных в моделируемом пункте, за исключением групповой и индивидуальной аппа-ратуры оканчивающихся в нем или проходящих транзитом каналов передачи

Линия связи – линия электросвязи моделируемой сети со всеми ее оконеч-ными устройствами, в соединяемых этой линией узлах

Узловая основа сети –совокупность всех узлов модели сети связи

Сетка линий –совокупность всех линии связи моделируемой сети

Путь из узла a_i в узел a_j –связная последовательность линий сети, в которой ориентация отдельных линий согласована с направлением от узла a_i к узлу a_j

Ранг пути – число линий связи, составляющих этот путь

Cмежные узлы –узлы, которые непосредственно соединены линиями связи

Ориентированный канал –канал, который действует только в одном определенном направлении связи

Неориентированный канал –канал, который действует в двух направле-ниях

Пучок каналов – совокупность одинаково ориентированных каналов модели с общими концами в узлах a_i и a_j составляют пучок. Пучок каналов может быть как ориентированным, так и неориентированным

Сетка пучков – совокупность всех пучков каналов модели сети связиСетка пучков характеризуется конфигурацией V, представляющей собой множество всех пучков модели с указанием ориентации каждого из них, если она имеется

Тип сети – определяется формой задания общей потребности в связи и соответствующими ей особенностями технологии удовлетворения этой потребности

Типы сетей – сигнальная, сеть без коммутации и сеть с коммутацией

Сигнальная сеть – сеть, предназначенная для передачи коротких сообщений

Cеть без коммутации –сеть, в которой два узла связываются непосред-ственно пучками каналов с использованием ресурсов сети

Cеть с коммутацией –сеть, в которой каналы сети предоставляются для передачи отдельных сообщений любой из корреспондирующмх пар по мере

необходимости

Классификационные признаки сигнальной и сети без коммутации и сети с коммутацией:

· по технологии удовлетворения потребности в связи – одновременной и неодновременной связи;

· по способу учета надежности элементов сети – детерминированная или стохастическая сеть.

Сеть одновременной связи –сеть, в которой индивидуальные потребности в связи, всех корреспондирующих пар узлов, удовлетворяются одновременно.

Сеть не одновременной связи –сеть, в которой индивидуальные потребно-сти в связи всех корреспондирующих пар узлов, удовлетворяются неодно-временно.

Стохастическая сеть –сеть, в которой некоторые элементы не надежны и уязвимы.

Детерминированная сеть – сеть,в которой повреждения элементов сети не

трактуются как события случайные.

Классификационные признаки сети с коммутацией:

· по технологии действия – сеть с коммутацией каналов или сеть с коммутацией сообщений (пакетов);

· по способу учета надежности элементов сети – стохастическая сеть или

• детерминированная сеть

Типичные ограничения в задачах анализа и синтеза:

· ограничение веса кондиционного пути передачи сообщения или траектории канала;

· ограничение допустимой емкости (скорости) линии связи;

· ограничение максимальной конфигурации сетки линий;

· ограничение на число непересекающихся по уязвимым элементам путей, соединяющих каждую корреспондирующую пару узлов;

· ограничения компонентов искомой структуры сети, сужающие область допустимых решений.

Классификационные признаки для постановки и решения задач анализа и синтеза:

• тип сети (по технологии действия);
• вид задачи: задача анализа качества работы или задача синтеза структуры;
• одновременность удовлетворения требований;
• надежностный подтип;
• технологический подтип;
• вид критерия (критерия качества для задач анализа, целевого критерия для задач синтеза);
• вид ограничения (или комбинации ограничений).

Граф конечный – конечный набор n узлов (вершин), образующих множество А, некоторые из которых попарно соединены ребрами {ветвями), образующими множество В.

Граф простой (некратный) – если для любых пар узлов граф содержит не более одного ребра. В противном случае, граф называется кратным

Граф называется ориентированным –если все ребра графа имеют ориентацию. В противном случае граф называется неориентированным.

Граф называется смешанным –если содержит как ориентированные, так и неориентированные ребра.

Ранг (степень) узла – число ребер, инцидентных узлу, а числа ориентированных ветвей, исходящих из узла и входящих в него, соответственно,полурангами исхода и захода.

Цепь в графе – последовательность ребер(ветвей), соединяющей узлы, не обязательно согласованной ориентации.

Путь в графе – цепь, соединяющая два узла, в которой ориентация всех ориентированных ветвей соответствует направлению движения от заданного узла к другому узлу графа.

Путь называется ациклическим (самонепересекающимся) –если через любой узел сети он проходит не более одного раза.

Граф или его компонент (подграф) называется связным –если все его узлы попарно связаны, в противном случае имеет место несвязность.

Сечение или разрез графа – минимальная совокупность ветвей (ребер), разделяющих граф(сеть) на две несвязные между собой части (подграфа).

Емкостью сечения – суммарная емкость (пропускная способность) входя-щих в него ветвей (ребер).

Минимальное сечение – сечение с минимальной емкостью (пропускной способностью).

Структурная матрица B графа G c n узлами – квадратурная матрица порядка n, в которой каждому узлу a_i соответствует i – ая строка и i- ый столбец: B = || b_ij ||.

Матрица длин ребер L = || l_ij ||, где l_ii = 0; l_ij – длина ребра от узла a_i до узла a_j; l_ij = ∞,если между a_i и a_j нет ребра.

Матрица пропускных способностей элементов сети C = || c_ij ||. Под пропускной способностью будем понимать либо максимальное число бит, которое может быть пропущено каналами данного ребра в единицу времени, либо обслуженную нагрузку.

Матрица прямых каналов U = || u_ij ||, вхождение которой u_ij – число каналов, начинающихся в узле a_i и кончающихся в узле a_j независимо от того, через какие еще транзитные или сетевые узлы эти каналы проходят. Такая матрица уже характеризует возможности сети по установлению связи, если считать, что узлы являются коммутационными.

Матрица надежности P = || p_ij || , где p_ij – вероятность нахождения элемента сети в работоспособном состоянии.

Матрица стоимостей Ц = || ц_ij ||, где ц_ij – стоимость ребра между узлами a_i и a_j, ц_ii – стоимость узла.

Длина пути – сумма длин всех ребер, образующих данный путь.

Пропускная способность пути, при использовании сети для передачи информации только от одного узла к другому узлу графа, определяется минимальной пропускной способностью ребра из множества ребер, образующих путь.