Лекции по Планированию и построению систем сигнализации цифровых сетей связи   

1. Общие положения

1.2. Теоретические основы планирования и проектирования цифровых сетей связи и их систем сигнализации

Основными направлениями развития сетей связи в настоящее время считаются цифровизация, оптиковизация, информационная и системная интеграция, интеллектуализация, расширение номенклатуры услуг, предоставляемых пользователям, и др. В соответствии с этим в Российской Федерации широкими темпами идут процессы технического перевооружения существующих аналоговых (аналого-цифровых) и построения новых цифровых сетей связи различного назначения. При этом особую важность приобретают вопросы планирования мероприятий по построению (совершенствованию) телекоммуникационной инфраструктуры.

Планирование является одной из основных функций управления связью РФ. Планирование сетей связи [8] следует понимать как информационный процесс, объединяющий совокупность операций по определению последовательности формирования и реализации системно-технических решений по построению сетей связи.

В самом общем понимании планирование состоит в установлении целей функционирования ЦСС, определении ее нормативных характеристик и обосновании оптимальных сроков, способов и средств их достижения. Планирование ЦСС должно обеспечить обоснованность определения (выбора):

текущих и перспективных телекоммуникационных потреб-ностей системы, в интересах которой строится ЦСС;

основных принципов и системно-технических требований формируемой ЦСС;

архитектуры, топологии, структуры, базовых технологий и оборудования ЦСС;

распределения затрат времени и других ресурсов на всех этапах работ по построению (совершенствованию) сети.

Важной отправной точкой для планирования является определение назначения базовой цифровой сети связи. Каждая конкретная сеть связи строится [8, 11]:

для обеспечения информационного обмена в системе управления определенного иерархического уровня (государства, ведомства, корпорации, предприятия или др.);

для удовлетворения на коммерческой основе информационных потребностей пользователей (в местном, региональном, субрегиональном, национальном или глобальном масштабах).

для достижения обеих указанных выше целей.

Для наглядности рассмотрим цифровую сеть связи первого типа. Основными принципами ее планирования, построения и развития являются [12]:

принцип единства, который состоит в том, что ЦСС должна строиться, функционировать и развиваться исходя из единых требований по единому замыслу (плану);

принцип соответствия, т. е. сеть должна соответствовать задачам, составу, структуре и динамике развития системы, в интересах которой она строится;

принцип универсальности – это возможность применения в сети таких системно-технических решений, которые обеспечивали бы информационное обслуживание абонентов вне зависимости от затребованной услуги, способа их подключения к ЦСС, процессов, происходящих в сети;

принцип рационального использования ресурсов, когда производительность ЦСС должна при минимуме экономических затрат позволять не только выделить ресурсы для общего пользования абонентами ведомства (корпорации), но и обеспечить возможность автономного перераспределения части сил и средств связи в интересах возникающих задач управления;

принцип интеграции важен как с экономической, так и организационной точки зрения. Существующие ведомственные сети содержат, как правило, много различных подсистем. Отсутствие интеграции между ними порождает ряд вполне очевидных проблем – от сложности управления и неэффективного использования их ресурсов до невозможности обмена информацией между абонентами разных подсетей;

принцип опережающей готовности сети связи по отношению к соответствующей системе управления. С практической точки зрения это означает, что построение ЦСС должно производиться на базе уже существующих сетей связи без перерывов в информационном обеспечении пользователей. Этот принцип очень важен для сетей связи, функционирующих в интересах национальной безопасности РФ.

Учет указанных принципов позволит уже на этапе планирования позаботится о непрерывности развития соответствующей сети связи.

Сейчас в России уже накоплен достаточный опыт по инсталляции крупных цифровых ведомственных (корпоративных) сетей связи. Проведенные работы наглядно показали, что существуют два основных подхода к решению задач планирования и построения ЦСС:

традиционные генеральные схемы, предусматривающие последовательную реконструкцию линейных сооружений и поступательный перевод на цифровые технологии направлений и зон связи;

формирование цифровой коммутируемой среды в пространстве между основными опорными точками существующей сети без изменения узловой основы и сетки линий остальной ее части. Магистральные линии при этом перестраиваются только на участках, где невозможна передача минимального (для принятой архитектуры и выбранной базовой технологии сети) цифрового транспортного потока. В дальнейшем модернизация первичной сети осуществляется уже исходя из наличия средств, полученных за счет продажи новых услуг связи, в порядке, устанавливаемом интересами повышения производительности сети в целом.

Генеральные схемы всегда опираются на стратегическое планирование основных мероприятий на длительную перспективу (например на 10–20 лет). Генеральная схема современной ЦСС предусматривает анализ текущего состояния сети и включает в себя разработку программных документов по следующим направлениям:

план и распределение инвестиций в построение сети;

прогноз роста числа пользователей и расширения номенклатуры предоставляемых услуг;

прогноз эволюции тарифов на услуги связи;

генеральный план построения сети;

план строительства капитальных объектов связи;

обоснование базовой технологии передачи информации в ЦСС;

обоснование и выбор технологий коммутации, сигнализации, синхронизации и управления сетью;

план обеспечения надежности и безопасности ЦСС;

прогноз качества обслуживания в сети;

оценка (прогноз) экономического эффекта от ЦСС;

выбор оборудования для построения ЦСС и т. д.

Построение и оптимизация сетевой структуры по требованиям суперсистемы и обоснование долговременных инвестиций в построение сети – главные цели перспективного планирования.

Планирование ЦСС, формируемой на основе второго подхода,  предусматривает решение следующих задач:

кратко- или среднесрочный (например от двух до пяти лет) прогноз развития сети и оценка дальнейших перспектив ее совершенствования на перспективу (до 10 лет);

соответствующий прогноз спроса на услуги связи, нагрузки (трафика) в сети, ее экономических показателей и качества функционирования;

совершенствование структуры существующей сети с введением новых элементов (ЦСП, ЦСК) на ключевых направлениях связи;

обоснование плана (последовательности) ввода новых сетевых элементов;

оптимизация плана распределения ресурсов сети при вводе новых сетевых элементов;

распределение инвестиций в развитие сети в зависимости от их размеров и динамики возврата.

Естественно, что у рассмотренных подходов отличаются и формальные методы, используемые для формирования структур ЦСС. В обоих случаях топологическая структура сетей формируется на базе заданной (как правило, существующей) узловой основы. Однако первый подход подразумевает синтез сетки линий исходя из требований заказчика (суперсистемы) сразу в масштабах всей сети, при этом допускается введение на сети дополнительных узлов связи [1]. Второй подход предполагает ограничения на ввод вспомогательных узлов и изменения в сетке линий в некоторых сегментах ЦСС [12].

При планировании некоторых цифровых сетей связи применяется комбинированный подход, при котором для центральных сегментов разрабатывается генеральная схема, а для остальных – план последовательного внедрения ЦСП и ЦСК на отдельных (важнейших) направлениях связи.

Вне зависимости от принятого подхода в том или ином виде разрабатывается концепция построения (совершенствования) ведомственной (корпоративной) сети связи. В этом документе концентрируется информация о том, каким видит заказчик (суперсистема) будущее своей информационной инфраструктуры, в какие сроки, какие задачи по построению ЦСС должны быть выполнены.

Для исполнителей данная концепция является стратегическим планом, этапы которого должны быть уточнены и согласованы с заказчиком при разработке дальнейших планирующих документов на ЦСС. Особенно это касается проектных документов.

В общем случае под проектированием сетей связи [12] понимается процесс обоснования системно-технических решений по построению (совершенствованию) сетей связи и оформление соответствующей (проектной) документации. Основная цель проектирования – максимизация экономического или другого эффекта от построения (совершенствования) сети.

В процессе проектирования принято выделять следующие основные этапы (рис. 1.4):

I. Постановка задачи, в результате которой выбираются основные показатели и критерии качества функционирования сети и формируются исходные данные, формализованные по заранее заданным правилам.

II. Краткосрочное и/или долгосрочное прогнозирование необходимых для процесса проектирования величин.

III. Декомпозиция общей задачи проектирования на частные. Например, задачи проектирования ЦПСС и ЦВСС по заданным характеристикам планируемой ЦСС.

IV. Разработка возможных сценариев построения (совершенствования) сети. Сценарии могут предполагать разработку генеральной схемы либо планы построения ЦСС.

V. Анализ разработанных сценариев с учетом экономических, системно-технических и иных ограничений; выбор тех сценариев, которые удовлетворяют заданным требованиям и могут быть реализованы в установленные сроки.

VI. Оптимизация ЦСС по основным показателям качества функционирования и/или экономическим характеристикам.

VII. Интерпретация результатов решения и оформление необходимой проектной документации.

В ходе проектирования последовательность этапов отличается от тривиальной последовательности операций.

 

Рис. 1.4. Обобщенная блок-схема процесса проектирования ЦСС

Как показано на рисунке 1.4, кроме прямых переходов между смежными этапами существуют условные связи, которые определяются в зависимости от полученных на предыдущем шаге результатов.

В соответствии с приведенной блок-схемой осуществляется планирование системы и проектирование сети сигнализации, если такие частные задачи ставились в ходе декомпозиции общей задачи проектирования ЦСС.

Обоснование и выбор характеристик сети сигнализации всегда соотносятся с сформулированными выше принципами и этапами планирования и построения ЦСС. Задачи, свойственные различным этапам проектирования сети сигнализации, в общем идентичны представленным на рисунке 1.4. Это позволяет реализовать весь процесс проектирования ЦСС в целом и сети сигнализации в частности в виде подобных циклических алгоритмов (модульных расчетных программ). Рассмотрим самые общие положения решения задачи проектирования ЦСС и ее системы сигнализации.

Этап I. Постановка задачи в значительной мере определяется назначением ЦСС и другими исходными данными, например архитектурой системы управления ведомства (корпорации) и существующей на данный момент времени информационной инфраструктурой.

При проектировании только сети сигнализации отдельное внимание уделяется выбранной архитектуре ЦСС, структуре ее системы управления, базовой сетевой технологии, а также типам используемых ЦСП и ЦСК. При этом возможны два крайних с точки зрения сигнализации варианта:

1. Построение системы сигнализации для вновь формируемой ЦСС с однотипными ЦСП и ЦСК, единой современной системой управления (СУ). В этом случае система сигнализации будет единой для всей ЦСС, а структура сети сигнализации может быть спроектирована самым оптимальным способом.

2. Цифровизация существующей аналоговой сети связи. Система цифровой сигнализации формируется фрагментарно, по мере роста "цифровых островов", во взаимодействии с оборудованием предшествующих систем сигнализации. Разрабатываемые при планировании решения должны корректироваться по мере расширения "цифровых островов" для поддержания оптимальности (квазиоптимальности) структуры сети сигнализации.

В реальных сетях связи возможны любые промежуточные варианты. Так, например, при слиянии нескольких сетей в различных "цифровых островах" возможно применение разных технологий сигнализации. Поэтому уже на этапе постановки задачи важно определить реализацию перехода к единой системе сигнализации или следует предусматривать шлюзы (мосты) для сопряжения различных сигнальных протоколов.

Здесь следует отметить, что при проектировании новой ЦСС иногда бывает целесообразно пожертвовать сиюминутной оптимальностью и выбрать такие структуру и средства сети сигнализации, которые обеспечили бы дальнейшую эволюцию информационной инфраструктуры. В любом случае критерии планирования ЦСС и ее сети сигнализации определяются теми показателями, которые приняты в качестве международных, национальных или ведомственных стандартов. В связи с этим результаты проектирования вполне могут быть оценены по критерию пригодности, а не оптимальности, что должно быть также указано при постановке задачи на проектирование. Т. е. если заказчиком не требуется поиск наилучшего (оптимального) варианта построения ЦСС или ее сети сигнализации, то пригодным является любой вариант построения объекта проектирования, удовлетворяющий заданным ограничениям и используемым спецификациям.

Практика показывает, что в требованиях суперсистемы задается, как правило, один оптимизируемый показатель – стоимостный. Следовательно, пропускная способность, надежность и другие показатели качества функционирования ЦСС должны оцениваться по критерию пригодности.

Этап II заключается в прогнозировании основных характеристик суперсистемы и ЦСС. С точки зрения системы сигнализации это, во-первых, прогноз роста числа пользователей и расширения номенклатуры предоставляемых услуг, а также качества обслуживания абонентов сетью. Во-вторых, для проектирования необходимы сведения о дальнейшей эволюции ЦСС в плане изменения (наращивания) ее структуры, увеличения числа каналов и трактов по направлениям, повышения производительности ЦСП и ЦСК.

Классический подход к прогнозированию этих величин основан на анализе статистических рядов. Наиболее простой и эффективный метод основан на регрессионном анализе [13]. Коэффициенты регрессии определяются методом наименьших квадратов, широко используемым в подобных задачах. Для аппроксимации  исследуемого  процесса  необходимо  подобрать  аналитическую кривую из известных математических функций. По выбранной кривой можно не только прогнозировать развитие исследуемого процесса, но и оценить ошибку прогноза в зависимости от периода, на который он выполняется. Ошибка прогноза, выраженная через величину доверительного интервала, определяется  по  известным  в  математической  статистике  формулам [14].

Подобный подход может быть применен для прогнозирования процессов и явлений, для которых известен соответствующий статистический ряд. Например, рост числа пользователей распространенных услуг связи (телефония, узкополосные ЦСИС (УЦСИС), Интернет и т. д.).

Существенно сложнее прогнозировать новые процессы, не имеющие аналогов в прошлом:

спрос на вновь вводимые услуги (например телевидение высокой четкости, совместная по сети работа распределенного коллектива, торговля через Интернет и др.);

надежность и экономическую целесообразность функционирования сетей на новых базовых технологиях (например широкополосных ЦСИС (ШЦСИС) и др.).

В этих случаях прогнозирование может основываться на методе экспертных оценок, на результатах, полученных для каких-либо похожих процессов, и на специальных методиках, ориентированных на ограниченный статистический материал [13].

Бывают случаи, когда по итогам этапа II может оказаться, что прогнозная динамика роста (или падения) оцениваемого показателя качества функционирования ЦСС (сети сигнализации) такова, что исходные данные или даже выбранные критерии пригодности потребуют пересмотра (по согласованию с заказчиком).

Этап III формирует варианты декомпозиции общей задачи проектирования ЦСС для упрощения применяемых математических методов в дальнейшем. Так на этапе IV может оказаться недостаточной декомпозиция сети на первичную и вторичную. Такая ситуация может возникнуть, например, при проектировании крупных региональных сетей, имеющих устойчивые на планируемый период аналого-цифровые и цифровые фрагменты. В таких случаях возможен подход, при котором аналого-цифровой сегмент сети следует рассматривать как совокупность аналоговой и цифровой подсетей. Проектирование каждой из этих подсетей может осуществляться самостоятельно.

Возможны и другие подходы к декомпозиции общей задачи проектирования. На рисунке 1.4 этот факт отражен стрелкой с индикатором "Еще одно решение".

Относительно задачи проектирования ЦСС задача проектирования сети сигнализации является частной. Но и последняя может быть декомпозирована, например по фрагментам ЦСС, "цифровым островам" в аналоговой сети, направлениям и зонам связи. Однако наилучшим случаем является вариант, при котором формируется единая система сигнализации для всей сети связи.

В некоторых случаях требуется строить два контура сигнализации, относительно независимых друг от друга: сигнализация в интересах ЦПСС и сигнализация в интересах ЦВСС. В этом случае декомпозиция задач проектирования ЦСС и ее сети сигнализации аналогична.

Этап IV. На основе одних и тех же исходных данных может быть разработано несколько возможных вариантов построения ЦСС и ее системы сигнализации. При наличии требований оптимальности затрат на строительство (совершенствование) сети практический интерес представляет анализ следующих трех основных путей поиска необходимых системно-технических решений.

Простейший подход к проектированию ЦСС и ее системы сигнализации заключается в оптимизации либо первичных затрат, либо приведенной стоимости (т. е. учитывающей возврат инвестиций) на определенный период функционирования. Такой подход практически всегда будет гарантировать оптимальность найденного решения на некотором конечном участке эксплуатации ЦСС. Однако этот путь может привести, в свою очередь, к значительному росту затрат на дальнейшее развитие сети.

Второй подход, в связи с последним замечанием, должен предусматривать оптимизацию стоимости ЦСС с учетом перспектив, например внедрения широкополосных услуг сервиса связи. Естественно, такой сценарий практически всегда будет определять максимальные первичные затраты на реализацию ЦСС и ее систему сигнализации и может быть неоправданным риском. Между тем, как считают ряд экспертов, суммарные (по всем этапам развития) затраты будут ниже аналогичных затрат для первого сценария.

Третий подход должен быть основан на разумных компромиссах между вариантами, изложенными выше. В данном случае должна быть разработана группа  сценариев,  уровень проработки которых определится наличием временных, экономических и иных ресурсов.

Этап V. Анализ всех разработанных сценариев с учетом финансовых, технических и иных ограничений производится на этом этапе планирования сети. Формализовать его достаточно сложно, что обусловлено природой факторов, отвергающих тот или иной из предложенных сценариев. В общем случае этот процесс подразумевает постановку многокритериальной задачи или группы задач оценки показателей качества функционирования ЦСС и ее системы сигнализации.

Решение поставленных задач начинается с построения математической модели проектируемой сети (системы сигнализации). Требования к модели противоречивы: с одной стороны, она должна учитывать возможно большее число факторов, от которых зависит результат проектирования, а с другой, – быть достаточно простой для получения наглядных, желательно аналитических зависимостей между входящими в нее параметрами. Построение математической модели – важнейшая часть всего исследования, так как она определяет его конечный результат.

Каждая конкретная ЦСС имеет свои особенности построения и, следовательно, специфику планирования. Поэтому этот этап целесообразно выполнять в тесном взаимодействии с заказчиком.

Этап VI. На данном этапе проектирования должны быть решены задачи оптимизации, позволяющие значительно улучшить экономические, а иногда и другие показатели качества функционирования сети, сценарий построения которой выбран по результатам предыдущих пяти этапов. Постановка и метод решения задач оптимизации зависят от многих конкретных условий построения (совершенствования) ЦСС и ее системы сигнализации. Решение оптимизационных задач подразумевает использование ранее разработанных и формирование новых математических моделей. Последние должны соответствовать поставленной задаче и выбранному методу оптимизации.

Оптимизация характеристик собственно сети сигнализации может осуществляться в рамках решения выше сформулированных задач, т. е. до утверждения того или иного структурного решения ЦСС. Реже сеть сигнализации оптимизируется отдельно, при этом параметры транспортной основы ЦСС считаются заданными.

Полученный в результате оптимизации вариант (сценарий) построения (совершенствования) сети должен быть исследован по алгоритмам этапа V (рис. 1.4). Следовательно, этапы V и VI меняют итерационно друг друга до получения удовлетворительного для заказчика варианта (сценария) построения (совершенствования) сети.

Этап VII. После решения математических задач двух предыдущих этапов необходима соответствующая интерпретация полученных результатов. Несовершенство применяемого методического инструментария (моделей, методик и алгоритмов) проектирования ЦСС может привести к неприемлемым для практики результатам. Подобные ситуации возникают либо из-за ошибок в исходных данных, либо на том этапе, когда математические методы (или программное обеспечение) еще не отработаны.

Задачи этого этапа заключаются в поиске и устранении ошибок. Все выделенные на рисунке 1.4 обратные связи "Решение нереализуемо" означают отказ от предложенного сценария по временным, экономическим, системно-техническим, организационным или иным причинам. В зависимости от них алгоритм планирования сети может интерактивно инициироваться с этапами I, II или IV.

Если ошибок не обнаружено в исходных данных, то причины неадекватного результата проектирования кроются либо в неидеальности используемых математических методов, методик или алгоритмов, либо в ошибках их применения.

Нередко на практике оказывается, что заказчик выдвигает завышенные требования либо вводит чересчур жесткие ограничения. В этом случае проектировщик должен обосновать полученный результат и добиться необходимого компромисса.

Из рассмотренного следует, что планирование и проектирование ЦСС в целом или ее системы сигнализации в частности – довольно сложный наукоемкий процесс. Реализация выделенных мероприятий потребует от проектировщиков обширных знаний и разнообразных умений, в том числе в таких научно-технических областях как [14] системный анализ, прикладная математика, теория телетрафика, теория сетей связи, теория надежности, теория оптимальности и др.

Многие операции по планированию и проектированию ЦСС к настоящему времени автоматизированы, причем разработка новых программных средств продолжается также постоянно, как и развитие современных телекоммуникационных технологий.

В основном приведенная последовательность операций по проектированию ЦСС способствует нахождению оптимального результата в конкретных условиях функционирования и реализуемости разработанного проекта. Изложенный подход к проектированию может служить основой для составления новых алгоритмов и разработки соответствующего программного обеспечения, автоматизирующего процесс проектирования ЦСС и ее системы сигнализации.

Конкретное содержание рассмотренных в разделе мероприятий зависит от большого количества разнообразных факторов. Так, например, выбор той или иной технологии сигнализации зависит от назначения, размеров, конфигурации и требуемых показателей качества функционирования ЦСС. Но, главное, этот выбор зависит от характеристик самой технологии сигнализации.



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.