eng
DOI: 10.22184/2070-8963.2021.97.5.40.48
Формулируются актуальные задачи, решение которых позволит эффективно планировать телекоммуникационные сети для их модернизации в соответствии с перспективными требованиями потенциальных пользователей. Предлагаются модели для формализации задач, решаемых экономико-математическими методами. Акцентируется внимание на выборе системных решений, в максимально возможной степени инвариантных к изменению тех внешних и внутренних факторов, которые определяют процессы эволюции инфокоммуникационной системы. Обосновывается целесообразность поиска новых принципов по созданию универсальных инфраструктурных сооружений, которые будут использоваться совокупностью сетей и систем, принадлежащих компаниям из разных сфер экономики и государственным структурам.
Формулируются актуальные задачи, решение которых позволит эффективно планировать телекоммуникационные сети для их модернизации в соответствии с перспективными требованиями потенциальных пользователей. Предлагаются модели для формализации задач, решаемых экономико-математическими методами. Акцентируется внимание на выборе системных решений, в максимально возможной степени инвариантных к изменению тех внешних и внутренних факторов, которые определяют процессы эволюции инфокоммуникационной системы. Обосновывается целесообразность поиска новых принципов по созданию универсальных инфраструктурных сооружений, которые будут использоваться совокупностью сетей и систем, принадлежащих компаниям из разных сфер экономики и государственным структурам.
Теги: choice of the telecommunications network structures improvement of telecommunication networks telecommunication network planning выбор структуры телекоммуникационной сети модернизация телекоммуникационных сетей планирование телекоммуникационных сетей
ЗАДАЧИ ПЛАНИРОВАНИЯ телекоммуникационных сетей. Часть 1
Н.Соколов, д.т.н., директор по науке ООО "Протей СпецТехника" /
sokolov@protei.ru
УДК 621.395, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.97.5.40.48
Формулируются актуальные задачи, решение которых позволит эффективно планировать телекоммуникационные сети для их модернизации в соответствии с перспективными требованиями потенциальных пользователей. Предлагаются модели для формализации задач, решаемых экономико-математическими методами. Акцентируется внимание на выборе системных решений, в максимально возможной степени инвариантных к изменению тех внешних и внутренних факторов, которые определяют процессы эволюции инфокоммуникационной системы. Обосновывается целесообразность поиска новых принципов по созданию универсальных инфраструктурных сооружений, которые будут использоваться совокупностью сетей и систем, принадлежащих компаниям из разных сфер экономики и государственным структурам.
Введение
Современному этапу развития телекоммуникационных сетей свойственен ряд особенностей, обусловленных разными причинами. Эти особенности должны учитываться и при постановке задач планирования сетей. По мнению автора, следует обратить внимание, по крайней на мере, на три следующих обстоятельства.
Во-первых, в городах и в сельской местности уже сложилась инфраструктура, которую практически невозможно изменить, что следует учитывать при постановке задач, связанных с выбором структурных характеристик телекоммуникационных сетей. Во-вторых, характер мультисервисного трафика и темпы его роста плохо предсказуемы, что стимулирует пересмотр методологического подхода к оценке пропускной способности транспортных ресурсов и производительности аппаратно-программных средств, выполняющих функции коммутации и обработки информации. В-третьих, возрастают риски устойчивости функционирования сетей, что порождает актуальность исследования дальнейших путей по развитию системы связи в целом. Эти три аспекта развития телекоммуникационных сетей, трансформирующие задачи по их планированию рассматриваются в данной статье.
Выбор модели
Для решения большей части задач, возникающих в процессе планирования телекоммуникационных сетей, используется математический аппарат [1]. Он применяется к математическим моделям [2], которые должны отражать существенные аспекты телекоммуникационной сети с точки зрения предварительно сформулированных целей.
В теории сетей связи [3, 4, 5] разработан ряд моделей, которые предназначены для решения различных задач. На рис.1 показана модель телекоммуникационной сети, основанная на тех материалах рекомендаций Международного союза электросвязи (МСЭ) серии Y [6], которые посвящены глобальной информационной инфраструктуре. Над каждым компонентом указано его название на английском языке.
Рассматриваемая модель удачнее всего отображает принципы построения телефонной сети общего пользования (ТфОП). Сеть в помещении пользователя располагается между терминалом пользователя и телефонной розеткой. Между телефонной розеткой и кроссом узла коммутации (УК) создается сеть доступа. В простейшем случае она образуется совокупностью абонентских линий. В городских телефонных сетях абонентские линии ранее формировались за счет использования двухпроводных физических цепей в многопарном кабеле с медными проводниками. Далее располагается базовая сеть, которая – теоретически! – охватывает весь земной шар. Типичным примером средств поддержки услуг служит центр обслуживания вызовов, адресованных сотрудникам экстренных или справочных служб.
Если соединение в ТфОП устанавливается между терминалами, включенными в один и тот же УК, то в базовой сети задействуется только один из множества ее элементов. Если в ТфОП устанавливается соединение между терминалами, находящимися, например, на разных континентах, то в базовой сети будет задействовано значительное количество УК и соединяющих их трактов обмена информацией. По этой причине в некоторых моделях базовая сеть делится на несколько компонентов. Подобное деление осуществляется либо по иерархическим уровням (местная, междугородная и международная сети), либо по границам ответственности между разными операторами связи. Таким образом, внутри компонента "Базовая сеть", при необходимости, можно выделить несколько элементов.
Пример такой детализации модели телекоммуникационной сети приведен на рис.2.
Предполагается, что выделено три базовые сети, принадлежащие разным операторам связи. Первый компонент, в свою очередь, включает три элемента, определяющие иерархические уровни базовой сети одного из операторов. Первый, второй и четвертый компоненты, показанные на предыдущей иллюстрации, на рис.2 не представлены. Такой подход позволяет не загромождать модель. Предложенная детализированная модель лучше всего подходит к ТфОП, что подчеркивают названия элементов в границах первого компонента.
По мере развития сети Интернет стала популярна трехуровневая модель, изображенная на рис.3. Считается, что впервые она была использована специалистами компании Cisco Systems. Обычно эту модель рисуют в виде плоскостей, расположенных по вертикали.
Для сохранения общности с предыдущими иллюстрациями трехуровневая модель представлена посредством компонентов, соединенных последовательно. Над всеми компонентами указаны их англоязычные названия.
Некоторые современные технологии также требуют уточнения модели, изображенной на рис.1. В частности, такая необходимость свойственна системам сотовой связи вне зависимости от стандарта, используемого для их создания. Они, строго говоря, не являются сетями связи, так как образуют только ряд элементов в составе рассматриваемой модели.
Эти элементы нужны для поддержки функций мобильности терминала.
Актуальность уточнения модели, помимо целесообразности учета специфики связи с подвижными объектами, обусловлена и рядом других аспектов, среди которых уместно выделить следующие три обстоятельства:
Попытка учесть новые тенденции в телекоммуникационных сетях и в информационных системах приводит к нескольким моделям, среди которых уместно выбрать одну, отличающуюся простотой и способностью учитывать ожидаемые инновационные решения.
Разумным выходом представляется переход к модели инфокоммуникационной системы, показанной на рис.4.
Словосочетание "инфокоммуникационная система" − термин, используемый преимущественно в отечественной научно-технической литературе [9]. Он может рассматриваться как аналог выражения information and communication technology [10] в английском языке. Правда, ранее в англоязычной технической литературе не столь редко встречалось словосочетание infocommunication system.
Первый (слева) компонент в нижней части рассматриваемой модели назван "Сетью пользователя". В отличие от названия, которое использовано на рис.1, убраны слова "в помещении". Это сделано по той причине, что терминалы Интернета вещей и сотовой связи могут размещаться не только в помещении пользователя, в отличие от традиционных телефонных аппаратов фиксированной связи.
Сеть доступа, как компонент модели телекоммуникационной сети, выполняет те же функции, что и прежде. Правда, принципы реализации сети доступа и используемые технические средства заметно отличаются от тех, которые применялись в эпоху доминирования телефонии [11]. Тем не менее, назначение сети доступа, рассматриваемой как "черный ящик" [12], не изменилось. Данное утверждение не будет корректным при анализе функциональности и технологической основы этого "черного ящика".
Сеть агрегации, с точки зрения границ территории своего размещения, более всего похожа на местную (городскую или сельскую) телефонную сеть. Современная нормативная база уделяет особое внимание связи в границах муниципальных образований. По этой причине выделение сети агрегации в отдельный компонент модели представляется логичным решением. В предыдущих моделях сеть агрегации обычно рассматривалась как составная часть базовой сети.
Границы базовой сети сужаются (если такая формулировка уместна для компонента инфокоммуникационной системы, охватывающего всю планету). Она представляет собой совокупность множества междугородных и ряда международных сетей. Не исключено, что для большей части мегаполисов в состав базовой сети будет уместно включать также и крупные УК.
Средства поддержки инфокоммуникационных услуг связаны со всеми основными компонентами модели. Такое решение обусловлено актуальностью применения облачных, туманных и капельных вычислений, а также требованиями, формируемыми Интернетом вещей.
Таким образом, инфокоммуникационная система включает пять основных компонентов. Безусловно, они будут детализироваться при решении ряда задач по планированию сети. С другой стороны, не исключены решения, когда модель будет укрупняться. Такой подход возможен, например, при анализе инфокоммуникационной системы как многофазной системы массового обслуживания с целью расчета пропускной способности и производительности линейных сооружений и аппаратно-программных средств соответственно.
Задачи выбора структуры телекоммуникационной сети
Основным аспектам выбора структуры телекоммуникационной сети посвящен ряд публикаций, примерами которых служат результаты исследований, выполненных отечественными учеными [13, 14, 15]. Выбор структуры сети телекоммуникационной сети обычно рассматривается как результат решения оптимизационных задач [15, 16]. Такой подход полностью соответствует теории сетей связи. При этом следует помнить, что оптимизационная задача решается для математической модели [2], которая всегда отличается от исследуемого объекта или процесса. По этой причине даже корректно решенная оптимизационная задача может привести к выбору не самой лучшей структуры телекоммуникационной сети.
Вторая причина заключается в том, что оптимальные решения в моменты времени t1и t2, как правило, будут различаться между собой. На практике период между введением нового УК в состав телекоммуникационной сети, величина (t2 – t1), обычно измерялся годами, реже – месяцами. Следовательно, проектные решения, принятые ранее, пересмотреть на практике нельзя. Пример такой ситуации для гипотетического города показан на рис.5, который состоит из двух фрагментов.
Левый фрагмент соответствует начальному этапу создания телекоммуникационной сети, когда в момент времени t1 устанавливается единственный УК. Одно из первых решений такой задачи приведено в [13]. Ее иногда называют задачей Раппа – по фамилии автора полученных результатов. Место оптимального размещения первого УК обозначено координатами [x1 (t1), y1 (t1)]. На правом фрагменте рис.5 указаны координаты [x1 (t2), y1 (t2)] и [x2 (t2), y2 (t2)], которые определяют места оптимального размещения двух УК.
Предполагается, что решение оптимизационной задачи к моменту t2 привело к необходимости установки двух УК.
Пунктирной и штрихпунктирной линией показаны границы территории, в пределах которой находятся пользователи телекоммуникационной сети в моменты времени t1 и t2 соответственно. Изменения границ территории определяются внешними (по отношению к системе связи) факторами, прогнозировать которые с необходимой точностью очень сложно. С учетом ряда дополнительных факторов другой природы различие в решениях в моменты времени t1и t2, а общем случае – ti и tj, становится закономерным.
Перенести первый установленный УК в новое здание не представляется возможным из-за экономических и организационных причин. Таким образом, после момента времени t2 структура телекоммуникационной сети никогда не будет оптимальной. Если воспользоваться понятиями Greenfield и Brownfield [17] для постановки и решения рассматриваемой задачи, то можно сформулировать следующие пять положений:
Для условий вида Brownfield следует учитывать ряд дополнительных факторов, которые обусловлены различием между рекомендованными и реализованными решениями. Такие различия объясняются объективными и субъективными причинами. Объективные причины обусловлены, например, такими обстоятельствами:
Субъективные причины обычно связаны с желанием использовать апробированные ранее решения, не обращая внимания на тот факт, что модернизация телекоммуникационной сети осуществляется за счет качественно новых аппаратно-программных средств и линейных сооружений. В некоторых случаях в проектной документации обнаруживаются ошибки, которые предполагается исправить самостоятельно в процессе проведения строительно-монтажных работ.
Один из примеров изменения проектных решений приведен на рис.6. В левой части иллюстрации показана структура транспортной (первичной) сети, построенной в виде кольца [5, 18]. Эта структура представлена графом с вершинами ai и ребрами bij. В правой части рисунка изображена структура реализованной транспортной сети, которая отличается тем, что вершины a1 и a4 связаны с двумя смежными вершинами через точки g1 и g4, соответственно. В результате значения коэффициента готовности [19] для вершин a1 и a4 снижаются. Это обусловлено формированием так называемых "плоских колец" [5, 18] на участках a1–g1 и a4–g4.
Иными словами, надежность транспортной сети уменьшается. Это приводит к снижению показателей надежности инфокоммуникационной системы в целом. Причем первый отказ, приводящий к изоляции вершины a1 или a4, может возникнуть через несколько лет после реализации структуры транспортной сети, показанной в правой части рис.6. К этому времени эксплуатационный персонал может уже забыть об изменении рекомендованных проектных решений.
Постановка и решение задач для условий вида Brownfield не усложняет комплексную процедуру планирования телекоммуникационной сети. Одно из полноценных представлений об этой процедуре предложено МСЭ в справочном руководстве Бюро развития электросвязи [20]. В этом документе предлагается выделять три основных блока, включающих, в свою очередь, набор самостоятельных или взаимоувязанных направлений работы:
Процедура планирования телекоммуникационной сети, предложенная МСЭ, приведена на рис.7. В составе каждого блока перечислено по шесть направлений необходимых работ.
Пунктирные стрелки в верхней части иллюстрации подчеркивают тот факт, что все процессы планирования осуществляются последовательно. Такие же стрелки внизу свидетельствуют о наличии обратной связи между всеми тремя блоками.
Справочное руководство [20] датировано 2008 годом, но остается актуальным даже с учетом эволюции принципов развития инфокоммуникационной системы в целом и появления новых технологий различного рода. Ниже рассматриваются преимущественно задачи, прямо или косвенно относящиеся к первому, третьему и пятому направлениям в составе технического блока. Такой выбор объясняется целью данной работы и не умоляет актуальности других направлений во всех трех блоках. В этом разделе, согласно его названию, основной акцент сделан на первом направлении – "Структура сети".
Строго говоря, игнорировать направление "Затраты" из состава "Бизнес-блока" нельзя. Обычно в проектах по развитию инфокоммуникационной системы ставится цель минимизации капитальных затрат [3, 4]. Правда, эту цель иногда можно достигнуть без оценки затрат в денежных единицах. В частности, могут быть эффективно использованы не выражаемые ни в одной валюте денежные единицы, называемые в англоязычной технической литературе monetary units [21]. Этот же термин используется экономистами, но имеет другой смысл. Вычисление значений денежных единиц позволяет найти предпочтительный вариант, но не дает оценку капитальных затрат. Например, в [21] приведен такой набор для стоимости линейных трактов цифровых систем передачи разной скорости при длине в один километр:
Отношения скоростей образуют такой ряд: 1,0–7,5–25,0. Цены, выраженные в денежных единицах (monetary units), формируют ряд следующего вида: 1,0–4,0–9,0. Если необходимо построить линейный тракт со скоростью 30 Мбит/с, то целесообразно выбрать ту систему передачи, которая обеспечивает скорость обмена данными в 45 Мбит/с. Применение пяти систем, каждая из которых поддерживает скорость обмена информацией в 6 Мбит/с, обойдется дороже. Уверенно делая вывод об эффективности применения оборудования, работающего на скорости 45 Мбит/с, проектант может не знать о реальной стоимости технических средств. По этой причине метод, основанный на расчете денежных единиц, можно считать весьма эффективным на этапе предварительного анализа возможных решений.
В качестве объекта исследования выбран гипотетический город (см. рис.8), для которого пунктирной и штрихпунктирной линиями показаны границы существующей и планируемой застройки соответственно. Величины площади территорий обозначены как SI и SII.
На территории площадью SI показаны площадки размещения семи сетевых узлов (СУ) транспортной сети, которые обеспечивают трактами обмена информацией эксплуатируемые УК, и трассы существующей кабельной канализации. Иными словами, предложенная модель в границах, обозначенных пунктирной линией, отражает состояние инфраструктуры.
Нумерация СУ определяется очередностью их создания.
Трассы существующей кабельной канализации не определяют принципы связи между УК. За счет использования полупостоянной коммутации [5] в оборудовании СУ может быть сформирована любая структура связи между УК. Предположим, что для рассматриваемого гипотетического города используется принцип связи между УК, именуемый "каждый с каждым" [14]. Тогда моделью коммутируемой (вторичной) сети будет служить полносвязный граф [22], изображенный на рис.9. Номера вершин ai и соответствующих СУ совпадают.
Обычно полносвязный граф ассоциируется с высокой надежностью того объекта, чьей моделью он служит. На самом деле оценку показателей надежности следует проводить для модели, отображающей структуру транспортной сети, которая была представлена на рис.8. Соответствующий граф показан на рис.10. Для каждой вершины графа в квадратных скобках указана ее степень [22], она равна количеству инцидентных ребер.
Степень вершин a6 и a7 равна единице, что свидетельствует о весьма низкой надежности транспортной сети, а следовательно, и инфокоммуникационной системы в целом.
В процессе модернизации телекоммуникационной сети необходимо увеличить степень вершин a6 и a7, что − с практической точки зрения − означает построить для СУ6 и СУ7 две новые трассы кабельной канализации. Соответствующие проектные работы целесообразно совместить с задачей выбора трасс кабельной канализации для подключения нового СУ8, который показан в нижней части рис.8.
Тот факт, что места размещения СУ и созданные ранее трассы кабельной канализации не меняются, позволяет решить поставленную задачу перебором возможных вариантов. Два таких варианта, обозначенные как (а) и (б), продемонстрированы на рис.11. Строительство трасс кабельной канализации может быть разнесено во времени. Это означает, что рассматриваемые варианты иллюстрируют структуру транспортной сети к моменту завершения плана ее модернизации.
Вариант (а) предполагает строительство двух новых трасс. В случае его реализации степень вершин a6, a7 и a8 становится равной двум. Стоимость трассы кабельной канализации на участке между СУ6 и СУ8 может оказаться весьма существенной. По этой причине более эффективным с точки зрения минимизации капитальных затрат может оказаться вариант (б). Он основан на строительстве трех трасс, каждая из которых выглядит сравнительно короткой. При его реализации степень вершин a3 и a5 возрастет на единицу, что повысит надежность транспортной сети.
Если не учитывать положительный эффект от повышения степени вершин a3 и a5 (он, безусловно, должен быть оценен в процессе проведения дальнейших исследований), то сравнивать варианты (а) и (б) можно по величинам капитальных затрат, необходимых для осуществления соответствующих проектов: Ка и Кб. Такой подход допустим при равенстве величин эксплуатационных расходов и идентичности поведения кривых NPV (net present value) − приведенной текущей стоимости [23]. Желательно также, чтобы оба рассматриваемых варианта были идентичны с точки зрения возникающих рисков [24].
Тогда выбор лучшего варианта модернизации транспортной сети определяется по минимальному значению требуемых капитальных затрат.
Оба варианта модернизации транспортной сети позволяют реализовать полноценную кольцевую структуру, обеспечивающую высокие показатели надежности. Принято считать, что практическое применение кольцевых топологий началось вместе с внедрением цифровых систем передачи синхронной иерархии [25]. На самом деле задолго до появления этого поколения систем передачи специалистами ЦНИИС было предложено использовать кольцевые структуры для развития системы связи в сельской местности [26]. Разработанное оборудование было успешно испытано в Одесской области Украины более тридцати лет назад.
В настоящее время операторы связи стали использовать еще одну структуру транспортной сети, обладающую высокой надежностью. Она получила название "двойная звезда". Данное решение также было предложено отечественными специалистами. В 1986 году сотрудниками ЛОНИИС была опубликована статья [27], в которой анализировалась структура класса "двойная звезда". Ее также можно реализовать для обоих вариантов модернизации транспортной сети, рассмотренных выше. ■
Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала.
Н.Соколов, д.т.н., директор по науке ООО "Протей СпецТехника" /
sokolov@protei.ru
УДК 621.395, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.97.5.40.48
Формулируются актуальные задачи, решение которых позволит эффективно планировать телекоммуникационные сети для их модернизации в соответствии с перспективными требованиями потенциальных пользователей. Предлагаются модели для формализации задач, решаемых экономико-математическими методами. Акцентируется внимание на выборе системных решений, в максимально возможной степени инвариантных к изменению тех внешних и внутренних факторов, которые определяют процессы эволюции инфокоммуникационной системы. Обосновывается целесообразность поиска новых принципов по созданию универсальных инфраструктурных сооружений, которые будут использоваться совокупностью сетей и систем, принадлежащих компаниям из разных сфер экономики и государственным структурам.
Введение
Современному этапу развития телекоммуникационных сетей свойственен ряд особенностей, обусловленных разными причинами. Эти особенности должны учитываться и при постановке задач планирования сетей. По мнению автора, следует обратить внимание, по крайней на мере, на три следующих обстоятельства.
Во-первых, в городах и в сельской местности уже сложилась инфраструктура, которую практически невозможно изменить, что следует учитывать при постановке задач, связанных с выбором структурных характеристик телекоммуникационных сетей. Во-вторых, характер мультисервисного трафика и темпы его роста плохо предсказуемы, что стимулирует пересмотр методологического подхода к оценке пропускной способности транспортных ресурсов и производительности аппаратно-программных средств, выполняющих функции коммутации и обработки информации. В-третьих, возрастают риски устойчивости функционирования сетей, что порождает актуальность исследования дальнейших путей по развитию системы связи в целом. Эти три аспекта развития телекоммуникационных сетей, трансформирующие задачи по их планированию рассматриваются в данной статье.
Выбор модели
Для решения большей части задач, возникающих в процессе планирования телекоммуникационных сетей, используется математический аппарат [1]. Он применяется к математическим моделям [2], которые должны отражать существенные аспекты телекоммуникационной сети с точки зрения предварительно сформулированных целей.
В теории сетей связи [3, 4, 5] разработан ряд моделей, которые предназначены для решения различных задач. На рис.1 показана модель телекоммуникационной сети, основанная на тех материалах рекомендаций Международного союза электросвязи (МСЭ) серии Y [6], которые посвящены глобальной информационной инфраструктуре. Над каждым компонентом указано его название на английском языке.
Рассматриваемая модель удачнее всего отображает принципы построения телефонной сети общего пользования (ТфОП). Сеть в помещении пользователя располагается между терминалом пользователя и телефонной розеткой. Между телефонной розеткой и кроссом узла коммутации (УК) создается сеть доступа. В простейшем случае она образуется совокупностью абонентских линий. В городских телефонных сетях абонентские линии ранее формировались за счет использования двухпроводных физических цепей в многопарном кабеле с медными проводниками. Далее располагается базовая сеть, которая – теоретически! – охватывает весь земной шар. Типичным примером средств поддержки услуг служит центр обслуживания вызовов, адресованных сотрудникам экстренных или справочных служб.
Если соединение в ТфОП устанавливается между терминалами, включенными в один и тот же УК, то в базовой сети задействуется только один из множества ее элементов. Если в ТфОП устанавливается соединение между терминалами, находящимися, например, на разных континентах, то в базовой сети будет задействовано значительное количество УК и соединяющих их трактов обмена информацией. По этой причине в некоторых моделях базовая сеть делится на несколько компонентов. Подобное деление осуществляется либо по иерархическим уровням (местная, междугородная и международная сети), либо по границам ответственности между разными операторами связи. Таким образом, внутри компонента "Базовая сеть", при необходимости, можно выделить несколько элементов.
Пример такой детализации модели телекоммуникационной сети приведен на рис.2.
Предполагается, что выделено три базовые сети, принадлежащие разным операторам связи. Первый компонент, в свою очередь, включает три элемента, определяющие иерархические уровни базовой сети одного из операторов. Первый, второй и четвертый компоненты, показанные на предыдущей иллюстрации, на рис.2 не представлены. Такой подход позволяет не загромождать модель. Предложенная детализированная модель лучше всего подходит к ТфОП, что подчеркивают названия элементов в границах первого компонента.
По мере развития сети Интернет стала популярна трехуровневая модель, изображенная на рис.3. Считается, что впервые она была использована специалистами компании Cisco Systems. Обычно эту модель рисуют в виде плоскостей, расположенных по вертикали.
Для сохранения общности с предыдущими иллюстрациями трехуровневая модель представлена посредством компонентов, соединенных последовательно. Над всеми компонентами указаны их англоязычные названия.
Некоторые современные технологии также требуют уточнения модели, изображенной на рис.1. В частности, такая необходимость свойственна системам сотовой связи вне зависимости от стандарта, используемого для их создания. Они, строго говоря, не являются сетями связи, так как образуют только ряд элементов в составе рассматриваемой модели.
Эти элементы нужны для поддержки функций мобильности терминала.
Актуальность уточнения модели, помимо целесообразности учета специфики связи с подвижными объектами, обусловлена и рядом других аспектов, среди которых уместно выделить следующие три обстоятельства:
- широкое использование облачных (cloud), туманных (fog) и капельных (dew) вычислений [7] для поддержки ряда важных услуг;
- растущая численность терминалов Интернета вещей [8], формально размещаемых в компоненте "Сеть в помещении пользователя", хотя места их расположения могут включать также подводное, подземное и воздушное пространство;
- продолжающийся процесс перехода к инфокоммуникационным системам [9] за счет конвергенции телекоммуникационных и информационных технологий.
Попытка учесть новые тенденции в телекоммуникационных сетях и в информационных системах приводит к нескольким моделям, среди которых уместно выбрать одну, отличающуюся простотой и способностью учитывать ожидаемые инновационные решения.
Разумным выходом представляется переход к модели инфокоммуникационной системы, показанной на рис.4.
Словосочетание "инфокоммуникационная система" − термин, используемый преимущественно в отечественной научно-технической литературе [9]. Он может рассматриваться как аналог выражения information and communication technology [10] в английском языке. Правда, ранее в англоязычной технической литературе не столь редко встречалось словосочетание infocommunication system.
Первый (слева) компонент в нижней части рассматриваемой модели назван "Сетью пользователя". В отличие от названия, которое использовано на рис.1, убраны слова "в помещении". Это сделано по той причине, что терминалы Интернета вещей и сотовой связи могут размещаться не только в помещении пользователя, в отличие от традиционных телефонных аппаратов фиксированной связи.
Сеть доступа, как компонент модели телекоммуникационной сети, выполняет те же функции, что и прежде. Правда, принципы реализации сети доступа и используемые технические средства заметно отличаются от тех, которые применялись в эпоху доминирования телефонии [11]. Тем не менее, назначение сети доступа, рассматриваемой как "черный ящик" [12], не изменилось. Данное утверждение не будет корректным при анализе функциональности и технологической основы этого "черного ящика".
Сеть агрегации, с точки зрения границ территории своего размещения, более всего похожа на местную (городскую или сельскую) телефонную сеть. Современная нормативная база уделяет особое внимание связи в границах муниципальных образований. По этой причине выделение сети агрегации в отдельный компонент модели представляется логичным решением. В предыдущих моделях сеть агрегации обычно рассматривалась как составная часть базовой сети.
Границы базовой сети сужаются (если такая формулировка уместна для компонента инфокоммуникационной системы, охватывающего всю планету). Она представляет собой совокупность множества междугородных и ряда международных сетей. Не исключено, что для большей части мегаполисов в состав базовой сети будет уместно включать также и крупные УК.
Средства поддержки инфокоммуникационных услуг связаны со всеми основными компонентами модели. Такое решение обусловлено актуальностью применения облачных, туманных и капельных вычислений, а также требованиями, формируемыми Интернетом вещей.
Таким образом, инфокоммуникационная система включает пять основных компонентов. Безусловно, они будут детализироваться при решении ряда задач по планированию сети. С другой стороны, не исключены решения, когда модель будет укрупняться. Такой подход возможен, например, при анализе инфокоммуникационной системы как многофазной системы массового обслуживания с целью расчета пропускной способности и производительности линейных сооружений и аппаратно-программных средств соответственно.
Задачи выбора структуры телекоммуникационной сети
Основным аспектам выбора структуры телекоммуникационной сети посвящен ряд публикаций, примерами которых служат результаты исследований, выполненных отечественными учеными [13, 14, 15]. Выбор структуры сети телекоммуникационной сети обычно рассматривается как результат решения оптимизационных задач [15, 16]. Такой подход полностью соответствует теории сетей связи. При этом следует помнить, что оптимизационная задача решается для математической модели [2], которая всегда отличается от исследуемого объекта или процесса. По этой причине даже корректно решенная оптимизационная задача может привести к выбору не самой лучшей структуры телекоммуникационной сети.
Вторая причина заключается в том, что оптимальные решения в моменты времени t1и t2, как правило, будут различаться между собой. На практике период между введением нового УК в состав телекоммуникационной сети, величина (t2 – t1), обычно измерялся годами, реже – месяцами. Следовательно, проектные решения, принятые ранее, пересмотреть на практике нельзя. Пример такой ситуации для гипотетического города показан на рис.5, который состоит из двух фрагментов.
Левый фрагмент соответствует начальному этапу создания телекоммуникационной сети, когда в момент времени t1 устанавливается единственный УК. Одно из первых решений такой задачи приведено в [13]. Ее иногда называют задачей Раппа – по фамилии автора полученных результатов. Место оптимального размещения первого УК обозначено координатами [x1 (t1), y1 (t1)]. На правом фрагменте рис.5 указаны координаты [x1 (t2), y1 (t2)] и [x2 (t2), y2 (t2)], которые определяют места оптимального размещения двух УК.
Предполагается, что решение оптимизационной задачи к моменту t2 привело к необходимости установки двух УК.
Пунктирной и штрихпунктирной линией показаны границы территории, в пределах которой находятся пользователи телекоммуникационной сети в моменты времени t1 и t2 соответственно. Изменения границ территории определяются внешними (по отношению к системе связи) факторами, прогнозировать которые с необходимой точностью очень сложно. С учетом ряда дополнительных факторов другой природы различие в решениях в моменты времени t1и t2, а общем случае – ti и tj, становится закономерным.
Перенести первый установленный УК в новое здание не представляется возможным из-за экономических и организационных причин. Таким образом, после момента времени t2 структура телекоммуникационной сети никогда не будет оптимальной. Если воспользоваться понятиями Greenfield и Brownfield [17] для постановки и решения рассматриваемой задачи, то можно сформулировать следующие пять положений:
- оптимизационная задача может быть с высокой точностью решена для условий вида Greenfield, которое соответствует построению новой телекоммуникационной сети в границах территории, где нет ни инфраструктуры (зданий для установки оборудования УК и кабельной канализации), ни уже эксплуатируемых технических средств;
- необходимость решения оптимизационной задачи для условий вида Greenfield в настоящее время и в обозримой перспективе возникает крайне редко;
- основная часть оптимизационных задач должна решаться для условий вида Brownfield, когда уже создана основная часть инфраструктуры и длительный период времени эксплуатируется комплекс технических средств электросвязи;
- решение оптимизационной задачи (а иногда – даже ее постановка) для условий вида Brownfield связано с рядом сложных моментов;
- целесообразно разработать методологический подход для постановки и решения оптимизационной задачи применительно к условиям вида Brownfield с учетом меняющихся требований к модернизируемой инфокоммуникационной системе.
Для условий вида Brownfield следует учитывать ряд дополнительных факторов, которые обусловлены различием между рекомендованными и реализованными решениями. Такие различия объясняются объективными и субъективными причинами. Объективные причины обусловлены, например, такими обстоятельствами:
- при разработке концептуальных положений модернизации телекоммуникационной сети и последовавшим за ней проектированием не были учтены особенности, которые связаны с изменившимися принципами застройки территории города или сельского поселения;
- в процессе проведения работ над проектом сократился объем финансирования, что привело к пересмотру рекомендуемых решений.
Субъективные причины обычно связаны с желанием использовать апробированные ранее решения, не обращая внимания на тот факт, что модернизация телекоммуникационной сети осуществляется за счет качественно новых аппаратно-программных средств и линейных сооружений. В некоторых случаях в проектной документации обнаруживаются ошибки, которые предполагается исправить самостоятельно в процессе проведения строительно-монтажных работ.
Один из примеров изменения проектных решений приведен на рис.6. В левой части иллюстрации показана структура транспортной (первичной) сети, построенной в виде кольца [5, 18]. Эта структура представлена графом с вершинами ai и ребрами bij. В правой части рисунка изображена структура реализованной транспортной сети, которая отличается тем, что вершины a1 и a4 связаны с двумя смежными вершинами через точки g1 и g4, соответственно. В результате значения коэффициента готовности [19] для вершин a1 и a4 снижаются. Это обусловлено формированием так называемых "плоских колец" [5, 18] на участках a1–g1 и a4–g4.
Иными словами, надежность транспортной сети уменьшается. Это приводит к снижению показателей надежности инфокоммуникационной системы в целом. Причем первый отказ, приводящий к изоляции вершины a1 или a4, может возникнуть через несколько лет после реализации структуры транспортной сети, показанной в правой части рис.6. К этому времени эксплуатационный персонал может уже забыть об изменении рекомендованных проектных решений.
Постановка и решение задач для условий вида Brownfield не усложняет комплексную процедуру планирования телекоммуникационной сети. Одно из полноценных представлений об этой процедуре предложено МСЭ в справочном руководстве Бюро развития электросвязи [20]. В этом документе предлагается выделять три основных блока, включающих, в свою очередь, набор самостоятельных или взаимоувязанных направлений работы:
- бизнес-блок;
- технический блок;
- эксплуатационный блок.
Процедура планирования телекоммуникационной сети, предложенная МСЭ, приведена на рис.7. В составе каждого блока перечислено по шесть направлений необходимых работ.
Пунктирные стрелки в верхней части иллюстрации подчеркивают тот факт, что все процессы планирования осуществляются последовательно. Такие же стрелки внизу свидетельствуют о наличии обратной связи между всеми тремя блоками.
Справочное руководство [20] датировано 2008 годом, но остается актуальным даже с учетом эволюции принципов развития инфокоммуникационной системы в целом и появления новых технологий различного рода. Ниже рассматриваются преимущественно задачи, прямо или косвенно относящиеся к первому, третьему и пятому направлениям в составе технического блока. Такой выбор объясняется целью данной работы и не умоляет актуальности других направлений во всех трех блоках. В этом разделе, согласно его названию, основной акцент сделан на первом направлении – "Структура сети".
Строго говоря, игнорировать направление "Затраты" из состава "Бизнес-блока" нельзя. Обычно в проектах по развитию инфокоммуникационной системы ставится цель минимизации капитальных затрат [3, 4]. Правда, эту цель иногда можно достигнуть без оценки затрат в денежных единицах. В частности, могут быть эффективно использованы не выражаемые ни в одной валюте денежные единицы, называемые в англоязычной технической литературе monetary units [21]. Этот же термин используется экономистами, но имеет другой смысл. Вычисление значений денежных единиц позволяет найти предпочтительный вариант, но не дает оценку капитальных затрат. Например, в [21] приведен такой набор для стоимости линейных трактов цифровых систем передачи разной скорости при длине в один километр:
- 6 Мбит/с – 1 денежная единица;
- 45 Мбит/с – 4 денежных единиц;
- 150 Мбит/с – 9 денежных единиц.
Отношения скоростей образуют такой ряд: 1,0–7,5–25,0. Цены, выраженные в денежных единицах (monetary units), формируют ряд следующего вида: 1,0–4,0–9,0. Если необходимо построить линейный тракт со скоростью 30 Мбит/с, то целесообразно выбрать ту систему передачи, которая обеспечивает скорость обмена данными в 45 Мбит/с. Применение пяти систем, каждая из которых поддерживает скорость обмена информацией в 6 Мбит/с, обойдется дороже. Уверенно делая вывод об эффективности применения оборудования, работающего на скорости 45 Мбит/с, проектант может не знать о реальной стоимости технических средств. По этой причине метод, основанный на расчете денежных единиц, можно считать весьма эффективным на этапе предварительного анализа возможных решений.
В качестве объекта исследования выбран гипотетический город (см. рис.8), для которого пунктирной и штрихпунктирной линиями показаны границы существующей и планируемой застройки соответственно. Величины площади территорий обозначены как SI и SII.
На территории площадью SI показаны площадки размещения семи сетевых узлов (СУ) транспортной сети, которые обеспечивают трактами обмена информацией эксплуатируемые УК, и трассы существующей кабельной канализации. Иными словами, предложенная модель в границах, обозначенных пунктирной линией, отражает состояние инфраструктуры.
Нумерация СУ определяется очередностью их создания.
Трассы существующей кабельной канализации не определяют принципы связи между УК. За счет использования полупостоянной коммутации [5] в оборудовании СУ может быть сформирована любая структура связи между УК. Предположим, что для рассматриваемого гипотетического города используется принцип связи между УК, именуемый "каждый с каждым" [14]. Тогда моделью коммутируемой (вторичной) сети будет служить полносвязный граф [22], изображенный на рис.9. Номера вершин ai и соответствующих СУ совпадают.
Обычно полносвязный граф ассоциируется с высокой надежностью того объекта, чьей моделью он служит. На самом деле оценку показателей надежности следует проводить для модели, отображающей структуру транспортной сети, которая была представлена на рис.8. Соответствующий граф показан на рис.10. Для каждой вершины графа в квадратных скобках указана ее степень [22], она равна количеству инцидентных ребер.
Степень вершин a6 и a7 равна единице, что свидетельствует о весьма низкой надежности транспортной сети, а следовательно, и инфокоммуникационной системы в целом.
В процессе модернизации телекоммуникационной сети необходимо увеличить степень вершин a6 и a7, что − с практической точки зрения − означает построить для СУ6 и СУ7 две новые трассы кабельной канализации. Соответствующие проектные работы целесообразно совместить с задачей выбора трасс кабельной канализации для подключения нового СУ8, который показан в нижней части рис.8.
Тот факт, что места размещения СУ и созданные ранее трассы кабельной канализации не меняются, позволяет решить поставленную задачу перебором возможных вариантов. Два таких варианта, обозначенные как (а) и (б), продемонстрированы на рис.11. Строительство трасс кабельной канализации может быть разнесено во времени. Это означает, что рассматриваемые варианты иллюстрируют структуру транспортной сети к моменту завершения плана ее модернизации.
Вариант (а) предполагает строительство двух новых трасс. В случае его реализации степень вершин a6, a7 и a8 становится равной двум. Стоимость трассы кабельной канализации на участке между СУ6 и СУ8 может оказаться весьма существенной. По этой причине более эффективным с точки зрения минимизации капитальных затрат может оказаться вариант (б). Он основан на строительстве трех трасс, каждая из которых выглядит сравнительно короткой. При его реализации степень вершин a3 и a5 возрастет на единицу, что повысит надежность транспортной сети.
Если не учитывать положительный эффект от повышения степени вершин a3 и a5 (он, безусловно, должен быть оценен в процессе проведения дальнейших исследований), то сравнивать варианты (а) и (б) можно по величинам капитальных затрат, необходимых для осуществления соответствующих проектов: Ка и Кб. Такой подход допустим при равенстве величин эксплуатационных расходов и идентичности поведения кривых NPV (net present value) − приведенной текущей стоимости [23]. Желательно также, чтобы оба рассматриваемых варианта были идентичны с точки зрения возникающих рисков [24].
Тогда выбор лучшего варианта модернизации транспортной сети определяется по минимальному значению требуемых капитальных затрат.
Оба варианта модернизации транспортной сети позволяют реализовать полноценную кольцевую структуру, обеспечивающую высокие показатели надежности. Принято считать, что практическое применение кольцевых топологий началось вместе с внедрением цифровых систем передачи синхронной иерархии [25]. На самом деле задолго до появления этого поколения систем передачи специалистами ЦНИИС было предложено использовать кольцевые структуры для развития системы связи в сельской местности [26]. Разработанное оборудование было успешно испытано в Одесской области Украины более тридцати лет назад.
В настоящее время операторы связи стали использовать еще одну структуру транспортной сети, обладающую высокой надежностью. Она получила название "двойная звезда". Данное решение также было предложено отечественными специалистами. В 1986 году сотрудниками ЛОНИИС была опубликована статья [27], в которой анализировалась структура класса "двойная звезда". Ее также можно реализовать для обоих вариантов модернизации транспортной сети, рассмотренных выше. ■
Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала.
Отзывы читателей
