Software & Systems

Концепция проектирования универсальной единой первичной сети связи (ЕПСС) в мегаполисе не нова. Рост числа операторов связи, предостав- ляющих различные услуги, и лавинообразное увеличение линейных сооружений в мегаполисе влекут за собой трудноразрешимые задачи по использованию городской территории для операторов связи.

Как правило, сторонние организации также имеют свои инженерные сооружения, такие как линии электропередачи, столбы освещения, устройства для поддержки различных несущих конструкций, вышки и стойки для эфирного телевидения и радиовещания, наружные газопроводы и т.д.

В силу плотности городской застройки задачи пространственного размещения такого рода инженерных сооружений становятся крайне трудными, а непрерывное развитие новых сетей связи только усугубляет ситуацию.

Зачастую операторы связи пренебрегают нормами проектирования и строительства первичных сетей связи, в частности, при прокладке воздушных линий связи (ВЛС) [1, 2].

Очевидно, что это будет не только ухудшать нынешнее положение дел в отрасли, но и снижать надежность и живучесть этих сетей связи. Как правило, в таком случае определенные трудности возникают с системами управления сетями связи у операторов различного уровня, а также с паспортизацией линейных сооружений. Вообще паспортизация существующих сетей связи является болезненным вопросом и представляет собой отдельный класс задач, требующих эффективных решений.

Предлагается рассмотреть перспективную первичную сеть связи, позволяющую оптимально предоставлять услуги сетей электросвязи, обладающую едиными принципами построения на всей территории, а также имеющую эффективную систему управления ресурсами сети и развитым менеджментом предлагаемых услуг.

Положение в отрасли на данном этапе можно во многом оценить как положительное, так как конкуренция в целом дает мощный импульс широкому развитию услуг сетей электросвязи.

Однако есть ряд обстоятельств, не позволяющих оптимально и корректно организовать всевозможные услуги электросвязи на всей территории города. ВЛС на улицах городов представляют собой хаос, затрудняющий нормальную эксплуатацию кабельного хозяйства.

Контролирующие отрасль государственные структуры недостаточно внимания уделяют проектированию, строительству, а также текущей эксплуатации сетей абонентского доступа (САД).

Зачастую отсутствуют единая техническая политика и контроль при строительстве САД у различных операторов, поэтому возникают сложности контроля и управления. Страдает такой важный аспект городского сетевого хозяйства, как эстетика.

В некоторых случаях отсутствует системный подход к развитию сегментов первичных сетей связи, что оказывает негативное влияние на технологический рост в предоставлении телекоммуникационных услуг. Применение разнотипных кабелей затрудняет текущую эксплуатацию и техническое обслуживание кабельного хозяйства.

Первичные сети связи, как правило, принадлежат операторам, занимающим существенное положение в сети связи общего пользования, поэтому альтернативные операторы не могут так же свободно распоряжаться этим важным ресурсом.

Исходя из этого предлагается создать работающую по единым принципам ЕПСС, охватывающую всю территорию мегаполиса.

Можно провести аналогию с сетями электроснабжения, а также с железными дорогами, прокладываемыми по всей территории страны.

Данная сеть должна обладать единой системой управления ресурсами, например, TMN, OSS/BSS [3, 4], эффективным менеджментом по развитию и эксплуатации, а также государственным регулированием по взаимодействию с другими инженерными сооружениями сторонних организаций.

ЕПСС должна быть социально ориентированной, позволяющей любому пользователю, проживающему на территории мегаполиса, получить любой вид телекоммуникационных услуг в любом месте, в любое время и приемлемого качества (не ниже соглашения SLA).

При этом не должен нарушаться принцип конкуренции среди операторов связи, предоставляющих услуги сети электросвязи по своим вторичным сетям. Например, в регионах Российской Федерации ЕПСС может принадлежать и эксплуатироваться зоновым оператором первичной сети связи, это может быть оператор, занимающий существенное положение на вторичных сетях связи.

 Сеть должна масштабироваться по горизонтали и по вертикали ровно настолько, насколько существует потребность в телекоммуникационных услугах у субъекта федерации, города или села и, вообще говоря, любого населенного пункта или отдельно стоящего здания. Непременно при проектировании и строительстве ЕПСС должен быть заложен резерв на всех уровнях, где это возможно, для расширения как государственных ЕПСС, так и ведомственных или частных транспортных сетей при наличии соответствующих лицензий.

В концепцию такой сети должны укладываться все современные и перспективные системы связи наземного базирования. Кроме того, большой интерес представляют технологии, позволяющие объединять все коммуникации в единую систему инженерных сетей мегаполиса [5, 6].

Вообще говоря, в модель дополнительно необходимо включить плоскость услуг и возможные системы управления САД, это важно для решения комплексных задач по проектированию и строительству САД. С точки зрения перспективного планирования САД важно понимать процедуры поиска проектных решений с учетом наиболее важных факторов.

Общий подход к процессу поиска проектных решений для построения САД города показан на схеме (рис. 1).

Предлагается восьмиуровневый подход к построению сети САД.

1. Уровень пользователей/абонентов услуг сети связи.

На этом уровне определяются структура, состав, географическое расположение пользователей предполагаемых услуг связи.

Также необходимо определить распределение ресурсов ЕПСС, предоставляемых операторам связи на выделенной им территории, по сути на этом уровне приблизительно определяются точки входа в ЕПСС для вторичных сетей связи.

2. Уровень каналов связи.

На этом уровне рассматриваются задачи возможного распределения и подключения портов (кроссов) транспортной сети ЕПСС к соответствующим портам вторичных сетей, принадлежащих различным операторам связи. Причем здесь имеют место как абонентский доступ, так и уровень транспортной сети.

Данный уровень включает в себя такие сложные задачи, как определение возможных мест расположения входов в ЕПСС со стороны различных операторов связи, определение тенденций развития услуг электросвязи и их распространения согласно статистическим данным. Определяются матрицы тяготений для всех предполагаемых видов услуг электросвязи.

3. Уровень среды распространения сигнала.

Этот уровень предполагает перечисление характеристик и систем взаимодействия между различными средами распространения сигнала, оптические либо медные линии связи (коаксиальные или симметричные). Необходимо рассмотреть проблему реализации и совместимости таких систем для конкретных типов кабельных линий, стволов радиорелейных линий связи (РРЛ), направляющих систем.

Первичные сети связи предназначены для организации различных услуг электросвязи (прежде всего таких, как кабельные линии и РРЛ). На базе арендованных каналов первичных сетей, принадлежащих одному оператору связи, организуются всевозможные вторичные сети, возможно, принадлежащие различным операторам связи. На этом уровне в качестве узлов выступают соединительные муфты, ретрансляционные вышки и т.п.

4. Уровень каналов кабельной канализации, систем подвески кабеля.

Линейные инженерные сооружения являются основой этого уровня. Фактически этот уровень обеспечивает размещение, безопасность, а также живучесть кабельных систем в выделенном пространстве. Сюда входят трубы кабельной канализации, системы подвески кабелей и другие возможные инженерные сооружения. Обычно в качестве узловой основы на этом уровне выступают колодцы или столбы ВЛС и т.д.

Как правило, структура и состав кабельной канализации, стволов РРЛ, оборудования атмосферной, лазерной систем связи или подвески кабеля на опорах ВЛС определяются градостроительными факторами, наличием существующих систем кабельной канализации или коллекторных систем, а также возможностью их расширения и/или замены.

5. Уровень траншей, коллекторов или ВЛС, трасс атмосферных лазерных линий связи.

 Одним из самых ограниченных ресурсов при создании и эксплуатации первичных сетей связи является топология открытых земельных участков в мегаполисе. Траншеи, опорные столбы ВЛС и их правильное использование позволят, с одной стороны, максимально удовлетворить всех потребителей в услугах связи, а с другой – оптимизировать этот городской ресурс с учетом возможных ограничений и требований.

На этом уровне одним из эффективных подходов является создание общегородской коллекторной системы, позволяющей легко реализовывать и эксплуатировать различные инженерные сети. Наиболее расходным и критически важным ресурсом городской территории является землеотвод для строительства линейных сооружений сетей электросвязи. Ситуация осложняется тем, что на данной территории появляется много альтернативных операторов связи, которые претендуют на те же пространственные ресурсы. В связи с этим возникла необходимость жесткой экономии этих ресурсов с одновременным увеличением услуг и конкуренции в этом сегменте рынка.

6. Уровень трасс транспортных магистралей сетей связи.

На этом уровне реализуются трассы прокладки кабельной канализации. Конечно, по некоторым улицам могут быть проложены несколько трасс кабельной канализации или сеть опорных столбов, но это не всегда возможно в условиях плотной застройки и других природных факторов, например, наличие водных преград и т.д.

7. Уровень ситуационных трасс для возможной реализации кабельных линий по территории города. Этот уровень охватывает все возможные трассы, пригодные для построения линейных сооружений сетей связи на заданной территории.

Как правило, данный уровень определяется в основном экспертным способом, так как зависит от массы неформализуемых факторов и подготавливается проектировщиком путем согласования структуры ситуационных трасс со многими службами города.

8. Уровень карты-схемы территории, охватываемой услугами ЕПСС.

Данный уровень является базовым для любых задач, связанных с предоставлением телекоммуникационных услуг населению. Обычно этот уровень задан и существует в виде генеральных схем территорий.

Последний уровень важен для получения полной карты схемы для анализа не только ЕПСС, но и всего спектра услуг, которые можно получить от всех операторов связи на данной территории. Очевидно, что граф, полученный на этом уровне, является базовым, на нем определяются все вышеописанные структуры.

Таким образом, каждому уровню можно поставить в соответствие некоторый граф или гиперграф (специальным образом определенную вторичную сеть S-гиперсети) так, чтобы формально можно было описать соответствующий уровень S-гипер­сети, представляющий первичную сеть.

Из приведенного выше содержательного описания задачи построения (проектирования) ЕПСС следует, что в процессе создания линейных сооружений потребуется математическая модель, способная описать все возможные сетевые структуры и элементы, участвующие в создании математической модели сети. Для этой цели воспользуемся математическим объектом – нестационарной S-гипер­сетью [7].

Дадим формальное определение такой S-гипер­сети. Пусть заданы множество графов (гиперграфов) G0=(X0, U0), G1=(X1, U1), ..., Gk=(Xk, Uk) и корневое дерево T0=(Z, R), где Z=z0, z1, ..., zk, R=r1, ..., rk, определяющее вложение графов Gj в Gi (i и  графов Gi и Gj не тождественные, а инцидентные. Если в граф Gj отображено несколько графов {Gi}, то вершины этих графов, отображенные в вершину (узел) у графа Gj, будут инцидентны узлу у и слабо инцидентны между собой.

То есть вершины из разных графов вторичных сетей (принадлежащие по сути разным вторичным сетям), являясь также прообразами различных по сути элементов из моделируемых систем, будут различными по типу элементов и в S-гиперсети.

Следовательно, они будут слабо инцидентными в узлах первичной сети G0 или в вершинах сети, в которую отображаются. В дальнейшем граф Gj, который отображается в граф Gi, будем называть вторичной сетью, а Gi – первичной.

Очевидно, что одной и той же вершине  могут быть инцидентны несколько вершин  из графов , s=1, ..., l. На множестве вершин  можно определить граф . Вершины  и  квазисмежные в Lj, если соответствующие графы  и  в вершине  имеют некоторую системообразующую связь . В противном случае эти вершины только слабо инцидентны. Как в гиперсетях, ребру  в графе Gi сопоставляется цепь или некоторая связная часть между соответствующими вершинами из Gi.

Также необходимо отметить, что системообразующие связи типа {l(x, y)}, вообще говоря, могут иметь разную природу и, как правило, существенно зависят от времени (динамичные структуры).

В некоторых случаях, например в системе первичных сетей разного типа (канализация, кабель, проводник и т.п.), такими связями в сетевых узлах будут колодцы, кроссы или кабельные муфты.

В этом случае имеет смысл рассматривать объединение всех вторичных сетей. Однако иногда имеет смысл рассматривать сумму всех графов S-гиперсети Н, включая и первичную сеть PS, то есть G = G0 + G1 + …+ Gn+ {Lj}.

Согласно описанию 8-уровневой модели ЕПСС (рис. 2), имеем следующие элементы S-гиперсети, которые можно положить в основу системы моделирования городских первичных сетей связи.

Первый уровень (WS1) иерархической S-гипер­сети представляет собой множество строений и/или замкнутых комплексов домов, абонентские линии от которых идут в распределительные узлы. Задача заключается в том, чтобы на заданной территории найти множество распределительных узлов, требующих минимальных затрат. При этом каждый абонент мог бы получить весь спектр услуг связи. Очевидно, что данная структура WS1 опирается на граф первичной сети PS(X, U) = WS8.

На этом уровне предполагается определить составы пользователей предполагаемых услуг связи, распределить ресурсы ЕПСС между существующими и предполагаемыми операторами связи. Необходимо изучить размещение возможных абонентов на территории и, следовательно, сетевого оборудования.

В качестве математической модели здесь выступает взвешенный граф GHG =(Y, U), в котором выделены области потребителей нагрузки сетей связи исходя из матрицы тяготений по каждой услуге связи между субъектами сети и который вложен в гиперграф HG=(X, U). Полученная S-ги­персеть HGР позволяет определить все атрибуты графа GР=(Y, U) для дальнейших манипуляций с этим объектом.

Второй уровень (WS2) содержит в качестве вершин возможные места расположения сетевых и распределительных узлов, а также транзитные вершины, соответствующие вершинам графа ситуационных трасс. Ребра графа этого уровня соответствуют возможным трассам каналов связи в графе ситуационных трасс.

На этом уровне рассматриваются задачи определения мест расположения сетевых узлов и сетевых станций ЕПСС, возможные пути, соединяющие эти  узлы и станции сети, а также построения соответствующей матрицы тяготений между ними.

Математическая модель этого уровня представляет собой граф ситуационных трасс GСТ=(Y, V) всех допустимых трассировок линий связи, вершины соответствуют местам размещения узлового оборудования первичной сети (точки входа и выхода кабельных и других линий связи). Очевидно, что граф ситуационных трасс GСТ=(Y, V) вложен в GР=(Y, U), так что полученная гиперсеть GHCT = = (Y; V, U) определяет взаимодействие указанных выше графов.

На уровне WS3 определяются места расположения сетевых узлов и структура связей между сетевыми и распределительными узлами, а также структура среды распространения сигнала (проводные, беспроводные системы связи). Здесь возможны и транзитные узлы без выхода на кроссовое оборудование. Затем каждое направление исследуется на предмет практической реализации (по типу линий связи, ствола РРЛ) в графе ситуационных трасс.

На этом уровне необходимо определить состав линий связи первичной сети (предоставление радиоканала, оптического кабеля, медного симметричного коаксиального кабеля и т.п.). Надо также перечислить характеристики и систему взаимодействия между различными средствами распространения сигнала, например оптические или медные линии связи (коаксиальные или симметричные), разбить территорию области на районы, в которых могут использоваться различные типы сред распространения сигнала.

Формально на этом уровне определяются графы трасс GТ(k)=(Yk, Lk) для различных видов сред распространения сигнала и точки взаимодействия этих подсетей, а также их вложения в графы GKk=(Zk, Uk). В частном случае υGТ(k) = GТ. Полученная S-гиперсеть GKT=(Yk, Zk; Uk, Lk) определяет структурное взаимодействие систем передачи информации с физическими носителями.

Таким образом, на этом уровне полностью определено семейство систем передачи для каждой местности с учетом географических факторов и множества возможных услуг электросвязи.

На этом уровне также определяются места возможной установки сетевого оборудования, опе- раторов вторичных сетей связи. В результате от правильного определения географии активных сетевых узлов операторов связи будет зависеть конечная стоимость вторичной сети, развернутой на территории САД.

Здесь очевидно, что использование одних и тех же сетевых узлов возможно различными операторами связи (юридически).

Уровень WS4 задает структуру системы труб кабельной канализации с целью упаковки в них кабельных линий. На этом же уровне определяются трассы для подвески воздушных линий и организации РРЛ (систем радиодоступа). Здесь возможны варианты применения оптимизационных алгоритмов, позволяющих повысить живучесть сети САД на данном уровне.

Линейные инженерные сооружения являются основой этого уровня. Сюда входят трубы кабельной канализации, системы подвески кабелей и другие возможные инженерные сооружения. Обычно в качестве узловой основы на уровне WS4 выступают колодцы или столбы ВЛС и т.д.

На этом уровне определяются графы GKk=(Zk, Uk) кабельной канализации, систем подвески кабеля, вышки РРЛ и др. В общем случае графы GKk=(Zk, Uk) укладываются в части графа GСТ= = (Y, V), соответствующие видам систем передачи. Полученная S-гиперсеть GCK=(Y, Zk; V, Uk) определяет взаимодействие указанных графов.

Следующий уровень, WS5, является определяющим для строительства линейных сооружений. Здесь реализуются решения для прокладки кабельной канализации, коллекторов, формируются постоянные кроссы между кабелями, лежащими в различных асбестоцементных трубах, на различных направлениях, осуществляется локальная оптимизация линейных сооружений.

Так как одним из самых ограниченных ресурсов при создании и эксплуатации первичных сетей связи являются земля, траншеи и опорные столбы (сеть подвески кабеля), их правильное использование позволит, с одной стороны, удовлетворить всех потребителей в услугах связи, а с другой – оптимизировать этот ограниченный городской ресурс с учетом возможных ограничений и требований.

Математическая модель этого уровня представляет собой граф трасс коллекторов или других линейных сооружений KT=(Z, E), вершины соответствуют местам размещения узлов «коллекторной». Очевидно, что граф KT=(Z, E) вложен в граф ситуационных трасс GСТ=(Y, V), таким образом, полученная S-гиперсеть GKT=(Z, Y; E, V) определяет взаимодействие указанных выше графов.

На уровне WS6 определяются трассы линий связи на графе ситуационных трасс и окончательно решается задача трассировки (кросс-коннекта) кабельной канализации, включая и ВЛС.

Это уровень трасс пучков каналов, жил волоконно-оптических линий связи, стволов РРЛ, транспортных магистралей сетей связи для организации связи между узлами (вершинами) первичной сети. Данный уровень определяет гибкость физической среды распространения сигналов с учетом типов каналов связи. На нем заданы места расположения кроссового оборудования для организации составных (кросс-коннекта) трактов передачи между соответствующими сетями связи.

Этому уровню соответствует несвязный граф GSP=(Xk, Uk), в котором каждой компоненте связности соответствует подграф первичной сети k-го типа. Очевидно, что этот граф реализован в графе GТ(k)=(Yk, Lk). Полученная гиперсеть GTP=(Xk, Yk; Lk, Uk) соответствует схеме распределения пучков каналов (трактов) в кабельных линиях или РРЛ.

Уровень WS7 – это по сути граф ситуационных трасс (суграф графа города или другой территории), в котором реализуется первичная сеть.

Последний уровень, WS8, объединяет распре- делительную и магистральную части общей первичной сети связи [8]. Данный уровень является базовым для любых задач, связанных с предоставлением услуг сетей электросвязи. Как правило, он задан и существует в виде планшетов с генеральными схемами территории. На этом уровне задано размещение всех объектов, как-то влияющих на выбор, построение и эксплуатацию ЕПСС. При- водится математическая модель объединения ге- неральных схем в виде гиперграфа HG=(X, U), который становится основой для построения графа ситуационных трасс.

Таким образом, построенная иерархия структур полностью задает первичную сеть связи на заданной территории с учетом ограничений.

Важно, что оптимизация на каждом уровне по определенным критериям (например стоимость) позволяет снизить издержки при строительстве допустимых сетей связи, предназначенных для получения заранее определенного спектра информационных услуг.

Очевидно, что локальная оптимизация по определенным критериям возможна на любом из перечисленных уровней восьмиуровневой модели, например, уменьшение финансовых издержек, вре- мени проектирования и строительства, повышение живучести сети САД [9–11].

В связи с этим перечислим некоторые задачи, решаемые на представленной модели:

-      поиск кратчайших маршрутов в гиперсети;

-      поиск кратчайшего циклического маршрута;

-      поиск связующих цепей (на выбранном уровне);

-      задача поиска дерева Штейнера;

-      задача поиска части гиперсети с заданной минимальной связностью;

-      задача покрытия графа сетями специального вида (по типу предоставляемых услуг);

-      задача размещения медианных вершин на гиперсети;

-      задача размещения узлового (сетевого) оборудования.

Учитывая подходы при разработке данной математической модели, возможны создание полноценных систем автоматизированного проектиро- вания сетей ЕПСС, а также мощного агрегатора информации по уже существующим сетям связи. Такая система позволит эффективно эксплуатировать перспективные и существующие системы связи, а также вести всеобъемлющую систему паспортизации и визуализации сетей связи различного назначения.

В конечном итоге в городе (районе города) должна быть построена первичная сеть кросс-коннект, позволяющая в реальном времени организовывать доступ вторичным сетям операторов связи к сети ЕПСС. В этом случае, используя гибкую систему динамически переконфигурируемой первичной сети связи, можно добиться устранения вышеописанных проблем пространственного и надежного размещения элементов сетей связи в мегаполисе.

Унифицированный подход к организации такого рода сети позволит упростить процесс проектирования, строительства, текущей эксплуатации и управления всей сетью САД, а также решит вопрос паспортизации и учета всех элементов сети связи на выделенной территории.

Литература

1.     Назаров А., Сычев К. Теоретические основы проектирования сетей связи следующего поколения. LAP, 2012. 536 с.

2.     Семенов Ю.В. Проектирование сетей связи следующего поколения. СПб: Наука и техника, 2005. 240 с.

3.     Гребешков А.Ю. Управление электросетями связи по стандарту TMN: учеб. пособие. М.: Радио и связь, 2004. 156 с.

4.     ITU-T, M.3010: Principles for a telecommunications management network, 2000. URL: http://www.itu.int/rec/T-REC-M.3010 (дата обращения: 20.03.2016).

5.     Саламахин П.М. Инженерные сооружения в транспортном строительстве: учеб. пособие. М.: Академия, 2007. 352 с.

6.     Манько В.Д. Основы проектирования систем электроснабжения: справоч. пособие. СПб: Изд-во УМИТЦ Электро Сервис, 2010. 664 с.

7.     Попков В.К. Применение теории S-гиперсетей для моделирования систем сетевой структуры // Проблемы информатики. 2010. № 4. С. 6.

8.     Попков Г.В. Концепция модернизации транспортных сетей связи на больших территориях // Телекоммуникации. 2015. № 12. С. 5.

9.     Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. М.: Мир, 1981. 328 с.

10.  Филлипс Д., Гарсиа–Диас А. Методы анализа сетей. М.: Мир, 1984. 496 с.

11.  Форд Л., Фалкерсон Д. Потоки в сетях. М.: Мир, 1966. 276 с.