Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Современные телекоммуникационные предприятия периодически сталкиваются с необходимостью расширения собственной сети связи. Как правило, оно производится путем развертывания новых узлов связи, которые обеспечивают предоставление телекоммуникационных услуг на конкретной территории.

Для каждого нового узла связи необходимо выбрать подходящую технологию предоставления услуг. В наше время таких технологий немало. Все они используют широко распространенные протоколы передачи данных и являются совместимыми между собой, начиная со второго уровня модели OSI. Совместимость современных технологий передачи данных позволяет операторам связи преодолевать ограничения, связанные с использованием того или иного оборудования, а также быстро и легко модернизировать имеющиеся сети.

В большинстве случаев при таком многообразии всегда существует несколько вариантов построения узлов связи.

Выбор конкретного технологического варианта является достаточно сложной задачей. Основными критериями при выборе обычно становятся стоимость оборудования и расходы, связанные с первоначальным развертыванием. Однако при таком подходе предприятия не всегда получают ожидаемый результат, поскольку не учитывают множество других критериев и связи между ними.

Проблема построения новых узлов связи заключается в неочевидности правильного выбора технологической схемы и необходимости минимизации расходов на создание и эксплуатацию узла связи в течение срока безотказной работы, гарантированного производителем оборудования.

Начальные условия и ограничения при проектировании

Проблема оптимального выбора варианта построения узла связи может быть рассмотрена на примере небольшого микрорайона, состоящего из двадцати трех шестнадцатиэтажных домов. Для этого в качестве возможных вариантов составлено пять схем узла связи на основе четырех наиболее распространенных технологий организации последней мили – Ethernet, GPON, ADSL и WiFi [1].

В качестве ограничений можно принять стоимость развертывания не более полутора миллионов рублей, стоимость ежегодной эксплуатации не более ста пятидесяти тысяч рублей и стоимость абонентского комплекта, которая не должна превышать десять тысяч рублей. Для источников бесперебойного питания обязательной является возможность обеспечения работы оборудования в течение не менее четырех часов с момента отключения внешнего питания [2].

Целью проектирования является выбор наиболее отказоустойчивого варианта организации доступа к телематическим и телефонным услугам связи для не менее чем одной тысячи абонентов.

Множество решений

В целях формализации задачи вводим следующие обозначения.

Множество решений S можно представить в виде вектора

,

где si – техническое решение по построению узла связи, обеспечивающего работу абонентов

где ci – стоимость развертывания,

ei – стоимость годичной эксплуатации,

Pi – вероятность безотказной работы,

Wi – суммарная потребляемая мощность,

Di – стоимость абонентского комплекта.

Стоимость развертывания узла связи ci выражается суммой всех затрат на приобретение оборудования в соответствии со структурной схемой узла связи:

где An – стоимость единицы активного сетевого оборудования,

Kn – стоимость каждого магистрального кабельного соединения,

kn – стоимость каждой абонентской линии,

Bn – стоимость единицы силового оборудования,

Mn – стоимость единицы пассивного сетевого оборудования.

Стоимость годичной эксплуатации ei выражается, для предприятий отрасли связи, суммой затрат на оплату электроэнергии и затрат необходимых для поддержания безотказной работы оборудования данного узла связи, которые обычно принимаются на уровне 10 % от стоимости развертывания.

где Wi – суммарная потребляемая мощность за один год,

T – тариф на электроэнергию.

Для оценки работоспособности системы Pi используется программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования «АРБИТР» [3–6]. Для получения оценки работоспособности для каждого технического решения создается схема функциональной целостности [7, 8].

Мощность, потребляемая за один год, Wi, выражается произведением суммы мощностей, потребляемых каждым элементом сети отдельно, на количество часов в году

где an – мощность, потребляемая элементом схемы, кВт.

Стоимость абонентского комплекта Di принимается равной стоимости оборудования, минимально необходимого для получения доступа к сети интернет и одного телефонного номера:

где dn – стоимость каждого устройства из абонентского комплекта.

Кольцевая топология с предоставлением доступа к сети по технологии Ethernet

Таблица 1

Пример характеристик узла связи на основе технологии Ethernet

Таблица 2

Пример расчета стоимости развертывания узла связи ci на основе технологии Ethernet

Рис. 1. Схема узла связи на основе технологии Ethernet, где SW1 – коммутатор уровня агрегации, SW2-SW26 – коммутаторы уровня доступа, A1 – источник бесперебойного питания, B1 – аккумуляторная батарея, P1-P27 – точки подключения внешнего питания 220 вольт, L1-L26 – линии связи

Таблица 3

Пример характеристик оборудования узла связи на основе технологии Ethernet

Кольцевая топология с предоставлением доступа к сети по технологии GPON

Рис. 2. Схема узла связи на основе технологии GPON и кольцевой топологии сети, где SW1 – коммутатор уровня агрегации, G1-G11 – станционные терминалы GPON, A1 – источник бесперебойного питания, B1 – аккумуляторная батарея, P – точка подключения внешнего питания 220 вольт, L1-L12 – линии связи

Таблица 4

Пример характеристик узла связи GPON и кольцевой топологии сети

Таблица 5

Пример расчета стоимости развертывания узла связи ci на основе технологии GPON и кольцевой топологии сети

Таблица 6

Пример характеристик оборудования связи на основе технологии GPON и кольцевой топологии сети

Технология GPON без кольцевой топологии

Рис. 3. Схема узла связи на основе технологии GPON без кольцевой топологии сети, где SW1 – коммутатор уровня агрегации, G1-G4 – станционные терминалы GPON, A1 – источник бесперебойного питания, B1-B2 – аккумуляторные батареи, P – точка подключения внешнего питания 220 вольт, L1-L4 – линии связи

Таблица 7

Пример характеристик узла связи на основе технологии GPON без кольцевой топологии сети

Таблица 8

Пример расчета стоимости развертывания узла связи ci на основе технологии GPON без кольцевой топологии сети

Таблица 9

Пример характеристик оборудования связи на основе технологии GPON без кольцевой топологии сети

Технология ADSL

Рис. 4. Схема узла связи на основе технологии ADSL, где SW1 – коммутатор уровня агрегации, DS1-DS25 – станционные терминалы DSLAM, A1 – источник бесперебойного питания, B1-B2 – аккумуляторные батареи, P – точка подключения внешнего питания 220 вольт, L1-L25 – линии связи

Таблица 10

Пример характеристик узла связи на основе технологии ADSL

Таблица 11

Пример расчета стоимости развертывания узла связи ci на основе технологии ADSL

Таблица 12

Пример характеристик оборудования связи на основе технологии ADSL

Технология WiFi

Рис. 5. Схема узла связи на основе технологии WiFi, где SW1 – коммутатор уровня агрегации, BS1-BS16 – базовые станции WiFi, A1 – источник бесперебойного питания, B1 – аккумуляторная батарея, P1-P17 – точка подключения внешнего питания 220 вольт

Таблица 13

Пример характеристик узла связи на основе технологии WiFi

Таблица 14

Пример расчета стоимости развертывания узла связи ci на основе технологии WiFi

Таблица 15

Пример характеристик оборудования связи на основе технологии WiFi

Решение

Данная задача оптимизации заключается в нахождении технического решения s, принадлежащего множеству S, надежность которого максимальна, при условии соблюдения введенных ограничений. Задача может быть представлена следующим образом:

при ограничениях:

, , .

Принимая во внимание ограничения, можно исключить варианты с применением технологий Ethernet, ADSL и WiFi из множества решений. Среди оставшихся условие Pi > max для технологии GPON без применения кольцевой топологии, что и является решением.

Таблица 16

Пространство решений

Заключение

Полученные результаты во многом указывают на правильность повсеместного применения операторами связи технологии GPON для развития собственных сетей. Варианты построения сети на базе оборудования GPON являются одними из наименее затратных при долгосрочной эксплуатации, а также имеют наибольшую абонентскую емкость из всех приведенных, что заметно снижает количество потенциальных точек отказа.

По итогам исследования очень распространенная кольцевая топология является менее надежной, что обусловлено отсутствием хордовых связей.

Применение программного комплекса автоматизированного структурно-логического моделирования АРБИТР позволяет быстро и эффективно рассчитать надежность сложно-структурированных сетей. Для повышения точности принимаемого решения возможен учет большего количества факторов.