автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методики оптимизации сетей абонентского доступа

Введение.

Основные положения представляемые к защите.

Глава 1. Принципы построении современных абонентских сетей.

1.1. Описание и принципы построения САД.

1.1.1. Термины, основные понятия.

1.1.2. Существующие принципы проектирования абонентских сетей.

1.2.Современные и перспективные средства доступа пользователей к сетям электросвязи.

1.2.1. Кабельные системы доступа.

1.2.2. Применение радиосредств на абонентских сетях.

1.2.3. Лазерные системы доступа.

1.3. Услуги в С АД.

1.3.1. Поддержка широкополосных услуг.

1.3.2. Рынок услуг сетей САД.

Выводы.

Глава 2. Методологические вопросы разработки оптимальных сетей Абонентского доступа.

2.1. Общий подход к проектированию.

2.2. Основные этапы проектирования.

2.3 Методика диалоговой оптимизации САД.

2.3.1. Методологические вопросы описания и анализа сетей электросвязи.

2.3.2 Технология формулировки задач проектирования САД.

2.3.3. Методы и алгоритмы для поиска оптимальных САД.

2.3.4. О технологии мультидиалогового моделирования и оптимизации сетей связи.

2.4. Маркетинговые исследования в задаче поиска проектного решения САД.

2.4.1. Постановка задачи.

2.4.2. Классификация услуг электросвязи.

Выводы.

Глава 3. О задаче построения первичной сети абонентского доступа.!

3.1. Содержательная постановка задачи построения САД.

3.2. Математическая модель структуры сети абонентского доступа.

3.3. Декомпозиция и задача выбора способов организации связи САД.

3.3.1. Определение типа и числа заявок на услуги связи телефония, передача данных) разбиение территории на участки.

3.3.2. Определение способов организации связи на каждом участке для предоставления услуг телефонной связи и передачи данных.

3.4. Поиск вторичных сетей с различными способами организации связи.91 3.4.1. Задача районирования территории САД.

3.4.2 Задача поиска вторичной сети с симметричными кабельными линиями связи.

3.4.3 Задача поиска вторичной сети с волоконно-оптическими линиями связи.

3.4.4. Задача поиска вторичной сети с использованием систем радиодоступа (РД).

3.4.5. Анализ и выбор способа организации связи.

3.5. Построение сети абонентского доступа.

3.5.1. Задача поиска сети кабельной канализации.

3.5.2. Построение первичной сети.

3.6. Программная реализация потроения и расчёта сети абонентского доступа внутри зданий (карточек вводов ГТС).

3.7 Оценка капитальных затрат на САД.

Выводы.

Глава 4. Основные процедуры синтеза САД.

4.1. Обобщённый алгоритм оптимизации САД и его декомпозиция на частные задачи теории графов и теории гиперсетей.

4.2. Поиск кратчайших маршрутов и модель топоосновы.

4.3. Размещение медианных вершин в гиперсетях.

4.3.1. Медианы в гиперсетях.

4.3.2. В-медиана в гиперсети.

4.3.3. О задаче поиска медианы графа на плоскости.

4.4. Задачи поиска связующих сетей.

4.4.1. Задача поиска кратчайшего циклического маршрута в гиперсетях.

4.4.2. Задача поиска дерева Штейнера в гиперсети.

4.4.3. Поиск части графа с заданной связностью.

4.4.4. Покрытие графа сетями специального вида.

4.5. Задачи поиска покрывающих вершин или ребер в гиперграфах и гиперсетях.

4.5.1. задача о минимальном покрытии вершин гиперграфа ребрами.

4.5.2. Задача поиска максимально независимого множества в гиперграфе.

Выводы.

В диссертации предлагается исследование и разработка методики оптимизации сетей абонентского доступа (САД). Работа включает в себя формальную и математическую постановку задачи по построению оптимальных САД. Рассмотрены существующие и перспективные способы построения САД. Проведена декомпозиция САД по использованию различных способов организации связи, а так же разработаны модифицированные алгоритмы решения такого рода задач.

Используя методику, предложенную в диссертации, возможно создание программных пакетов по реальной оптимизации сетей САД. Так же необходимо использование визуализаторов (граф - редакторов) для проведения работ по реальному проектированию сети САД.

Важной особенностью подобных методик по оптимизации САД является их системный подход и универсальность, что позволяет использовать сочетание математического аппарата методики с опытом и интуицией проектировщика.

В дальнейшем развитие такого рода методик позволит создать замкнутый цикл по проектированию, строительству и текущей эксплуатации систем и сетей связи на всех уровнях.

Цель диссертационной работы состояла в исследовании и разработке математических моделей сетей связи, разработке на их основе методики, алгоритмов построения оптимальных сетей САД, а также анализа и синтеза объектов сетевых структур.

Задачи исследования для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- Разработка структуры и принципов построения системы моделирования САД и автоматизированного поиска проектных решений.

- Исследование способов представления математических моделей САД.

- Разработка алгоритмов для задач анализа и синтеза и исследования САД.

- Оценка эффективности алгоритмов оптимизации САД.

Методы исследования.

Методической основой для решения поставленных задач являются: теория сетей связи, теория графов, теория гиперсетей, исследование операций, применение генетических алгоритмов, методы дискретной оптимизации.

Научная новизна результатов работы.

Научная новизна и значимость работы заключаются в следующем: разработана математическая модель и приведена формальная постановка задачи оптимизации САД. разработана методика построения оптимальных САД. созданы и модифицированы алгоритмы, позволяющие находить оптимальные проектные решения при построении САД.

Практическая ценность результатов.

Предложенная методика и алгоритмы частично реализованы в программных средствах поддержки интерактивной системы моделирования и оптимизации сетей связи.

Разработанная интерактивная система может быть использована в проектных организациях для применения методов оптимизации при синтезе проектных решений, что позволит сократить сроки и уменьшить трудоемкость проектирования.

Также может использоваться операторами связи для анализа проектных решений, а также как обучающая система для студентов вузов связи.

Реализация результатов работы

На основе методики разработана и реализована система построения и обсчёта карточек кабельных вводов в жилые и нежилые здания. Система используется в реальном проектировании в ПКО ОАО "Сибирьтелеком".

Личное участие

Личный вклад автора заключается в разработке методики построения оптимальных сетей САД, постановки задачи, написании алгоритмов решения задач анализа, декомпозиции, синтеза сетей САД. В части прикладных работ, связанных с созданием системы построения и обсчёта карточек кабельных вводов ГТС.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Международный семинар «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Хабаровск, 1999 г.

2. IV Международная конференция «Современные информационные технологии - 2000» («СИТ - 2000»), Новосибирск, 2000 г.

3. Международный симпозиум по проблемам информатики, модульных систем и сетей ICS-NET 2001. Москва, 2001 г.

4. XXIX Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе", Украина, Гурзуф 2002 г. 7

5. На научных семинарах отд. Телекоммуникационных систем СОРАН. 2000г.-20003г. Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы и отчета.

Основные положения работы, представляемые к защите:

- Показана принципиальная возможность получения оптимальных проектных решений с учётом всех современных средств связи на САД.

- Разработка технологии и методики получения проектных решений по оптимальным САД.

- Поставлена и решена обобщённая задача оптимизации САД.

- Разработаны математические модели и методы оптимизации САД с учётом диалоговой оптимизации.

- Разработаны алгоритмы решения задач на графах, гиперграфах и гиперсетях, используемые при решении проблемы построения САД и основанные на принципах построения генетических алгоритмов с учётом взаимодействия исследователя и компьютера (ПЭВМ) в процессе решения задачи.

- Разработан алгоритм и программа визуализации и расчёта карточек вводов в жилые и нежилые помещения ГТС.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения приложения и списка литературы.

Выводы

- Разработан обобщённый алгоритм оптимизации САД с возможностью применения МД - технологии.

- Проведена декомпозиция общей задачи на более простые задачи теории графов, гиперграфов и теории гиперсетей.

- Предложена новая математическая модель топоосновы, в которой можно учесть практически все градостроительные факторы, рельеф местности и метрические характеристики.

- Впервые сформулированы и решены задачи поиска медианных вершин в гиперсетях и задачи поиска сетей оптимального вида в гиперсетях.

- Сформулирована и решена задача покрытия вершин гиперсети графами (сетями) специального вида. Приведены оценки стоимости решения задач по всем алгоритмам.

Задача поиска независимого максимального множества рёбер в гиперграфе решена с учётом применения МД - технологии и метода локального перебора.

Заключение

В диссертации были рассмотрены существующие (классические) и перспективные методы проектирования современных сетей абонентского доступа, даны описания существующих систем связи применяемых в настоящее на сетях САД. При решении основной задачи, связанной с поиском проектных решений оптимальных сетей абонентского доступа использовался системных подход, который позволил создать эффективную методику синтеза оптимальных сетей связи с учетом: разнообразия сетевого оборудования, градостроительных факторов и распределения абонентов по каждому виду услуг электросвязи.

В процессе работы над диссертацией были получены следующие результаты:

- предложена методика поиска проектных решений по построению оптимальных САД, на основе иерархических гиперсетей и применения геоинформационных технологий;

- показана возможность применения мультидиалоговой технологии моделирования и оптимизации для сетей абонентского доступа;

- была разработана математическая модель и сформулирована задача выбора номенклатуры услуг электросвязи;

- приведена системная постановка задачи синтеза САД с учётом всех современных систем применяемых на САД, при этом учтены практически все существующие факторы, влияющие на структуру и стоимость САД, включая некоторые показатели живучести (связность, к - связность и др.).

- приведена и обоснована декомпозиция задачи построения САД и разработаны соответствующие алгоритмы решения частных задач синтеза САД.

Разработан обобщённый алгоритм оптимизации САД с возможностью применения МД - технологии.

- Предложена новая математическая модель топоосновы, в которой можно учесть практически все градостроительные факторы, рельеф местности и метрические характеристики.

- Впервые сформулированы и решены задачи поиска медианных вершин в гиперсетях и задачи поиска сетей оптимального вида в гиперсетях.

- Сформулирована и решена задача покрытия вершин гиперсети графами (сетями) специального вида. Приведены оценки стоимости решения задач по всем алгоритмам.

132

Задача поиска независимого максимального множества рёбер в гиперграфе решена с учётом применения МД - технологии и метода локального перебора.

Ряд разработанных алгоритмов реализованы в электронном учебнике по теории графов, разрабатываемый в отделе Телекоммуникационных систем ИВМ и МГ СО РАН, некоторые программы внедрены в цикл проектирования сетей ГТС в ПКГ ОАО "Сибирьтелеком".

Данная работа может быть положена в основу системы автоматизации проектирования абонентских сетей ГТС, что позволит существенно облегчить поиск проектных решений при строительстве САД.

1. CC1.T Manual "Local Network Planning", ITU, Geneva, 1979, 246 p.

2. Fenton F.M., Sipes J.D., Architectural and Technological Trends in Access: An Overview. Bell Labs Technical Journal, Vol.l, No. 1, summer 1996, pp. 3-10.

3. Hadden A.D., Personal Communications Networks: Practical Implementation. -Artech House, Boston-London, 1995, 294 p.

4. H. Ishihara. Plans for an Optical Access Network. NTT Review, Vol.6, No.4,1994, pp. 11 18.

5. ITU-TS. Handbook on Transmission Planning. Geneva, 1993, 74 p.

6. IEEE 802.11., IEEE 802.a Рекомендации IEEE Geneva, 1998. 85 c.

7. Lee W.C.Y., Cellular has a future in PCS. TE&M, February, 15/1992, pp. 41-43.

8. Shinohara H., Yamashima I., Miki Т., Evolution Scenario for the Integrated Fibre-Optic Subscriber System. Telecommunication Journal, N 3, 1993, pp. 109 -118.

9. Sakakibara I., Higashiyama F., Future Development of Optical Subscriber Network. NTT Review, Vol. 3, No 6, 1991, pp. 21 - 26.

10. Sokolov N., Digital Cross Connects Application for the Future Subscriber Network. ITC Specialists Seminar/Cracow, Poland, 1991, April 22 - 27, Vol. 2, pp. 215-218.

11. Бесслер P., Дойч А. Проектирование сетей связи. M.: Радио и связь, 1988, 272 с.

12. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1967, 608 с.

13. Bell Atlantic Trials NT ADSL 36.- Communications International, May 1993, p.

14. Булгак В.Б., Варакин JI.E., Ивашкевич Ю.К., Москвитин В.Д., Осипов В.Г. Концепция развития связи Российской Федерации. М.: Радио и связь, 1995, 224 с.

15. Варакин JI.E., Экономика, связь, развитие общества: макроэкономические закономерности развития связи // Электросвязь, 1994. -№1.

16. ГОСТ Р50889-96 Линейные сооружения городских и сельских и комбинированных телефонных сетей. Термины и определения, 1996.

17. Горбачевская JI.E., Дементьев В.Т., Шамардин Ю.В.: Двухуровневая экстремальная задача выбора номенклатуры изделий -Новосибирск. Препринт/РАН. Сибирское отделение ИМ СО РАН, 1997, 26 с.

18. Гроднев И.И., Верник С.М., Кочаловский JI.H., Линии связи. М.: Радио и связь, 1995,489 с.

19. Гэри М., Джонсон Д., Вычислительные машины и труднорешаемые задачи. М.: Мир, 1982.

20. Дубровский Е.П., Канализационно кабельные сооружения связи. М.: Высшая школа, 1991, 320 с.

21. Зыков А.А. Гиперграфы. Успехи математических наук. Вып. 6., 1974 с 89- 154.

22. Зыков А.А. Основы теории графов. М.: Наука, 1987.

23. Исследования по прикладной теории графов. Новосибирск., Наука, 1986. стр. 29 32.

24. Исследование операций. Том 2 "Модели и применения". Пер. С англ. / Под ред. Дж. Моудера и С. Элмаграби. М.: Мир, 1981, 677 с.

25. Каменев А.Ф. Технические системы: закономерности развития. Л.: Машиностроение, 1985.

26. Кристофидес Н., Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978.

27. Льюис К.Д., Методы прогнозирования экономических показателей. М.: Финансы и статистика, 1986.

28. Лутов М.Ф., Жарков М.А., Юнаков П.А., Квазиэлектронные и электронные АТС. М.: Радио и связь, 1988.

29. Лихтциндер Б.Я., Кузякин М.А., Росляков А.В., Фомичев С.М., Интеллектуальные сети связи. М.: Эко Трендз. 2000.

30. Майника Э., Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. М.: Мир. 1981.

31. Оре О., Теория графов. М.: Наука, 1968.

32. Попков В.К., Кауль С.Б., Нечепуренко М.И., Методы оптимизации структур зоновых сетей связи. Новосибирск. ВЦ. 1983.

33. Попков Г.В., Бежаева Е.Б. Планирование и оптимизация топологии телефонных сетей абонентского доступа. ГИС ассоциация. Информационный бюллетень № 3(15) 1998 г. с.45-46.

34. Попков Г.В., Моделирование градостроительных факторов при проектировании сетей абонентского доступа. Международный семинар. Сибдальтелеком 99. Новосибирск, 1999. с. 117.

35. Попков Г.В., Оптимизация городских сетей абонентского доступа. Международный симпозиум по проблемам модульных систем и сетей. ICSNET 2001, М.: 2001.

36. Попков Г.В., К вопросу оптимизации построения сетей абонентского доступа.Труды ИВМиМГ СО РАН серии информатика -4. Новосибирск, 2002.

37. ПФИС'91., Проблемы функционирования информационных сетей. Материалы конференции. Новосибирск., 1991. 238 -246 с.

38. Романовский И.В. Алгоритм решения экстремальных задач М.: Наука. 1977. 351 с.

39. Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В., IP телефония. М.: Эко -Трендз., 2001.

40. Руководство по проектированию сети электросвязи в сельской местности. М.: Связь, 1976.

41. Руководящий документ по общегосударственной системе автоматизированной телефонной связи (ОГСТфС). Книга II. М.: Прейскурантиздат, 1988, 313 с.

42. Рогинский В.Н., Теория сетей связи. М.: Радио и связь, 1981.

43. Семёнов А.Б., Стрижаков С.Н., Сунчелей И.Р., Структурированные кабельные системы. М.: Лайт ЛТД., 2001.

44. Смолянский М.Е. Проектирование линейных сооружений ГТС. М.: Радио и связь, 1989, 176 с.

45. Соколов Н.А. Эволюция местных телефонных сетей. Издательство ТОО Типография "Книга", Пермь, 1994, 375 с.

46. Соколова О.Г., Разработка интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений в сетях электросвязи. Диссертация, Новосибирск, ИВМ и МГ СО РАН, 2002. 140 с.

47. Саркисян С. А., Ахундов В. М., Минаев Э. С. Анализ и прогнозразвития больших технических систем. М.: Наука, 1982. 225 с.

48. Фрэнк Г., Фриш И. Сети, связи и потоки. М.: Связь, 1978. 175 с.

49. Харари Ф., Теория графов. М.: Мир, 1973. 300 с.

50. РД 45.196 2001: Правила построения системы телефонной связи общего пользования. Министерство связи РФ, введено с 2001 г. М., 2002 г.

51. РД 45.164 2000: Оборудование радиотехнологии DECT, применяемое на ТФОП. Общие технические требования. М.: ЦНТИ "Информсвязь", 2000.

52. РД 45. 120 2000: Городские и сельские телефонные сети. М.: ЦНТИ "Информсвязь", 2000.137