Сети связи

4 Выбор оптимальной структуры сети SDH | назад | содержание | вперёд |

Система SDH позволяет организовать универсальную транспортную сеть, решая задачи не только передачи информационных потоков, но контроля и управления данной сетью. Она рассчитана на транспортирование всех сигналов PDH (ИКМ -30, ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920), а также всех действующих и перспективных служб, в том числе и широкополосной цифровой сети с интеграцией служб (B-ISDN), использующей асинхронный способ переноса информации (АТМ).

В системе SDH использованы последние достижения в электронике, системотехнике, вычислительной технике, программировании и т.п. Применение SDH для построения первичных сетей различного уровня позволяет существенно сократить капитальные затраты, эксплуатационные расходы, сократить сроки монтажа и настройки оборудования. При этом повышается надежность сетей, их гибкость и качество связи.

Линейные сигналы SDH организованы в синхронно транспортные модули STM (агрегатные блоки). Первый из них - STM-1 - соответствует скорости передачи 155 Мбит/с. Каждый последую-щий имеет скорость в 4 раза большую, чем предыдущий. Уже стандартизированы STM - 4 (622 Мбит/с) и STM - 16 (2,5Гбит/с). Ожидается принятие STM - 64 (10 Гбит/с). Основной направляющей системой для SDH являются ВОЛП.

В сети SDH используется принцип контейнерных перевозок. Передаваемые сигналы предварительно размещаются в стандартных контейнерах С. Все операции производятся с контейнерами независимо от их содержимого. Благодаря этому и достигается универсальность сети SDH.

Типы контейнеров, а также принципы размещения сигналов в контейнерах и схемы преобразования последних для передачи в синхронных транспортных модулях подробно рассмотрены в [4, 6].

4.1 Анализ способов построения сети на базе SDH

Сеть на базе SDH строится с помощью различных функциональных модулей. Состав модулей определяется основными операциями, которые необходимо выполнить для обеспечения передачи высокоскоростных цифровых потоков по сети связи. Эти операции следующие:

- Сбор входящих потоков, поступающих в сеть SDH, в синхронные транспортные модули (STM).
- Передвижение (передача) STM по сети с возможностью ввода-вывода цифровых потоков (контейнеров) в промежуточных пунктах.
- Объединение нескольких однотипных потоков (STM) в потоки (STM) более высокого уровня.
- Восстановление формы и амплитуды сигналов, передаваемых на большие расстояния.
- Сопряжение сети SDH с сетями пользователей (сети доступа) с помощью согласующих устройств.

Для решения поставленных задач в состав SDH входят следующие модули:

- мультиплексоры;
- концентраторы;
- регенераторы;
- коммутаторы.

Мультиплексор - основной модуль сети SDH.

Мультиплексор выполняет следующие функции:

- Объединение низкоскоростных потоков в высокоскоростной поток (мультиплексирование) и наоборот (демультиплексирование).
- Обеспечивает доступ (терминальный доступ) низкоскоростных каналов (каналов доступа) иерархии PDH к входным портам SDH.
- Решает задачи локальной коммутации, концентрации и регенерации цифровых потоков.

Различают два основных типа мультиплексоров: терминальный (ТМ) и мультиплексор ввода/вывода (ADM).

ТМ является оконечным устройством сети SDH с некоторым числом каналов доступа (оптических и электрических).

ТМ имеют один или два входа/выхода. Два входа/выхода используются для повышения надежности. К входам/выходам ТМ (агрегатным) подключаются ВОЛП, образуя линейные тракты первичной сети.

Мультиплексор ADM отличается от ТМ наличием 2-х или 4-х оптических агрегатных входов/выходов при том же числе каналов доступа, что и в ТМ. Дополнительно к возможностям коммутации, осуществляемой ТМ, ADM позволяет осуществлять:

- сквозную коммутацию цифровых потоков в обоих направлениях;
- осуществлять замыкание канала приема на канал передачи на обеих сторонах ("восточной" и "западной") в случае выхода из строя одного из направлений;
- пропускать в случае аварийного выхода из строя мультиплексора основной оптический поток мимо него в обходном режиме.

Все это дает возможность использовать ADM в топологиях типа "кольцо".

Концентратор - это мультиплексор, объединяющий несколько, как правило одинаковых (со стороны входных портов) потоков, поступающих от удаленных узлов сети в один распределительный узел сети SDH, не обязательно также удаленный, но связанный с основной транспортной сетью.

Этот узел может также иметь не два, а три или четыре или больше линейных портов типа STM -1 или STM-N и позволяет организовать ответвление от основного потока или подключение нескольких узлов ячеистой сети к кольцу SDH. В общем случае он позволяет уменьшить общее число каналов, подключенных непосредственно к основной транспортной сети SDH. Мультиплексор распределительного узла позволяет локально коммутировать подключенные к нему каналы, давая возможность удаленным узлам обмениваться через него между собой, не загружая основную сеть.

Регенератор - мультиплексор, который имеет два или четыре агрегатных входа/выхода и специальные каналы доступа, предназначенные для обслуживания сети SDH. Регенератор используется для увеличения расстояния между узлами сети путем восстановления формы и амплитуды сигналов полезной нагрузки.

Он используется для увеличения допустимого расстояния между узлами сети SDH путем регенерации сигналов полезной нагрузки.

Коммутатор (DXC) - устройство, которое позволяет связывать различные пользовательские каналы путем организации постоянных или временных (полупостоянных) перекрестных соединений между ними.

Коммутаторы применяются в узлах большой пропускной способности, где необходимо гибкое управление нагрузкой различных направлений.

Для того чтобы спроектировать сеть SDH, необходимо прежде всего выбрать структуру сети. Известны следующие основные базовые топологии (структуры), на основе которых может быть составлена топология сети в целом.

- Топология "точка-точка".

  В этом случае соединение двух узлов А и В осуществляется с помощью терминальных мультиплексоров (рисунок 4.1). Топология "точка-точка" может быть использована для участков магистральной сети с большой протяженностью и значительной нагрузкой (уровни STM-16, STM-64) при 100% резервировании линий и группового оборудования аппаратуры (мультиплексоров и регенераторов).

  Рисунок 4.1 - Топология "точка-точка"

- Топология "линейная цепь".

  Эта конфигурация используется тогда, когда интенсивность нагрузки в сети невелика и существует необходимость ответвления в ряде точек на линии, где могут вводится и выводится каналы доступа. Линейная цепь реализуется с помощью ТМ на обоих концах цепи и мультиплексоров ADM в точках ответвления.

  Рисунок 4.2 - Последовательная линейная цепь без резервирования.

  Указанная структура может быть реализована без резервирования или при 100% резервировании (резервирование типа 1+1). Структура "линейная цепь" с резервированием типа 1+1 представлена на рисунке 4.3.
  Рисунок 4.3 - Линейная цепь с резервированием типа 1+1 (уплощенное кольцо)

- Топология "звезда" применяется для подключения удаленных узлов сети к транспортной магистрали. При этом один из мультиплексоров выполняет функции концентратора у которого часть нагрузки выводится к терминалам пользователя, а оставшаяся нагрузка распределяется по другим узлам сети. В этом случае мультиплексор должен обладать свойствами мультиплексора ввода/вывода с развитыми возможностями коммутатора. Пример топологии "звезда" изображен на рисунке 4.4.

  Рисунок 4.4 - Топология "звезда".

- Топология "кольцо" широко используется для построения местных и внутризоновых первичных сетей связи. В синхронной цифровой иерархии это наиболее используемая структура для уровней STM-1, STM-4 и STM-16. Основное преимущество кольцевой структуры - простота реализации защиты 1+1, благодаря использованию для построения кольца мультиплексоров ADM. Переключения в кольце позволяют локализовать (организовать обход) поврежденные участки линий или мультиплексоры. Кольцевая структура первичной сети может быть двух видов: двухволоконное кольцо и четырех волоконное кольцо. Второй вариант рекомендуется для организации сети на уровне STM-16.

Кольцевые сети могут обеспечить высокую надежность и экономичность по сравнению с указанными вариантами построения первичной сети.

Существуют два варианта построения сети кольцевой топологии: однонаправленное и двунаправленное кольцо.

При первом варианте каждый входящий в сеть цифровой поток направляется вокруг кольца в обоих направлениях, а в пункте приема осуществляется выбор лучшего сигнала. Для построения кольца используются два волокна. Передача по основному пути происходит в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по резервному - в противоположном. Следует отметить, что деление на основной и резервный здесь является условным, т.к. оба пути равноправны. Поэтому, такое кольцо, называется однонаправленным с переключением трактов или с закрепленным резервом.

Схема прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения по основному и резервному путям в однонаправленном кольце показана на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Однонаправленное кольцо.

Однонаправленное кольцо целесообразно использовать для случая центростремительного трафика. Например, для построения внутризоновой первичной сети и т.п.

В двунаправленном кольце при нормальной работе, если используется два волокна, каждый входящий поток направляется вдоль кольца по кратчайшему пути в любом направлении (отсюда и название "двунаправленное").

При возникновении отказа, с помощью мультиплексора ADM на обоих концах отказавшего участка, осуществляется переключение всего потока информации, поступающего на этот участок, в обратном направлении. В таком кольце осуществляется переключение секций сети SDH или защита с совместноиспользуемым резервом. Пример двунаправленного кольца приведен на рисунке 4.6. На нем показана схема прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения при нормальном режиме работы (рисунок 4.6а) и в аварийном режиме при отказе одного из участков кольца (рисунок 4.6б).

Рисунок 4.6.(а) - двунаправленное кольцо в нормальном режиме.

Рисунок 4.6.(б) - двунаправленное кольцо в аварийном режиме.

Возможно строительство двунаправленного кольца с четырьмя волокнами. При этом надежность кольца увеличивается, но существенно возрастают и затраты на его построение.

Двунаправленные кольца более выгодны при достаточно равномерном тяготении узлов коммутации вторичной сети. Поэтому двунаправленные кольца широко используются для построения первичной сети города. Более детальную информацию о кольцевой структуре можно найти в [4].

Типовые структуры сетей SDH.

Структурные решения при проектировании сети могут быть сформированы на базе использования рассмотренных выше элементарных топологий сети в качестве ее отдельных сегментов. Учитывая возможность самостоятельного использования отдельных элементарных топологий, рассмотрим здесь только сети, комбинирующие элементарные топологии.

Радиально-кольцевая структура

Эта сеть фактически построена на базе использования двух базовых топологий: "кольцо" и "последовательная линейная цепь". Вместо последней может быть использована более простая топология "точка-точка". Число радиальных ветвей ограничивается допустимой нагрузкой (общим числом каналов доступа) на кольцо.

Рисунок 4.7 - Радиально-кольцевая архитектура

Архитектура типа "кольцо-кольцо"

Кольца в этом соединении могут быть либо одинакового, либо разного уровней иерархии SDH. Схема соединения двух колец одного уровня STM-4 с помощью интерфейсных карт STM-1 показана на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 - Архитектура типа "кольцо-кольцо".

Каскадная схема соединения трех колец различного (по нарастающей) уровня - STM-1, STM-4, STM-16. При таком соединении можно использовать необходимые оптические каналы доступа предыдущего иерархического уровня при переходе от кольца одного уровня к другому (например, триб STM-1 при переходе на кольцо STM-4 и триб STM-4 при переходе на кольцо STM-16).

Рисунок 4.9 - Каскадная схема соединения трех колец

Архитектура разветвленной сети общего вида.

В процессе развития сети SDH разработчики могут использовать ряд решений, характерных для глобальных сетей. Например, разветвленная сеть SDH c каскадно-кольцевой и ячеистой структурой. Архитектура такой сети представлена на рисунке 4.10 Остов (или опорно-магистральная сеть) ее сформирован для простоты в виде одной сетевой ячейки, узлами которой являются коммутаторы типа SDXC, связанные по типу "каждый с каждым". К этому остову присоединены периферийные сети SDH различной топологии, которые могут быть "образами" либо корпоративных сетей SDH, либо сегментов других глобальных сетей, либо общегородских сетей SDH. Эта структура может рассматриваться как некий образ глобальной сети SDH.

Рисунок 4.10 - Сеть SDH с каскадно-кольцевой и ячеистой структурой

Ознакомившись с вышеизложенным материалом, необходимо разработать и обосновать выбор той или иной структуры первичной сети ГТС на базе системы SDH.

4.2 Разработка оптимальной структуры сети МСС.

В качестве исходных данных при разработке оптимальной структуры сети используем план населенного пункта, на котором отмечено расположение телефонных станций. Кроме того, известна структура ситуационных трасс, по которым возможна прокладка кабеля. Каждый участок ситуационных трасс характеризуется расстоянием. Требуется найти оптимальную кольцевую структуру трасс, соединяющих все станции.

Рисунок 4.11 - а) структура ситуационных трасс; в) оптимальная кольцевая структура.

Математическая постановка задачи.

Задан граф G =(X,U), где Х - множество вершин, в которых заканчиваются ситуационные трассы. U - множество ребер, соответствующих участкам ситуационных трасс.

- подмножество вершин, в которых расположены телефонные станции. Lij- длина участка трассы uij. Требуется найти цикл С в графе G, проходящий по всем вершинам множества и имеющий минимальную длину: .

Анализ алгоритмов.

Рассмотрим задачу когда = Х. В этом случае требуется построить кольцо, проходящее по всем вершинам, то есть предполагаем, что во всех вершинах расположены станции. Эта задача известна в теории графов как "Задача коммивояжера". Она принадлежит к классу NP - трудных задач, для которых не существует точных эффективных алгоритмов. Поэтому эту задачу решают приближенными, эвристическими алгоритмами с вычислением нижней и верхней оценок решения.

В случае, когда наша задача еще более усложняется. Опишем метод с помощью которого она может быть сведена к "Задаче коммивояжера".

Построение аппроксимирующего графа.

Шаг 1. Вычислить по алгоритму Дейкстры кратчайшие пути между всеми парами вершин из множества . Алгоритм реализуется следующим образом:

- выбираем вершину (РАТС) и находим вершины, смежные с ней. Присваиваем каждой найденной вершине пару чисел, состоящую из № корневой (выбранной) и длины соответствующего ребра. Для остальных вершин графа сопоставляют пару (0, );
- из множества неотмеченных вершин найдем вершину с минимальным весом, включаем ее в дерево кратчайших путей и отмечаем ее. Далее уже для вновь отмеченной вершины находим смежные с ней. Найденной вершине (смежной) присваиваем вес минимальный из двух возможных: либо уже существующий, либо вес, полученный из суммы длины ребра с весом предыдущей вершины; так необходимо повторять до тех пор, пока все вершины не будут просмотрены и отмечены.

Шаг 2. Построить полный граф , у которого множество вершин совпадает с множеством вершин . Множество ребер соединяет все пары вершин. Для каждого ребра uij положить его вес равным длине кратчайшего пути из Хi в Хj в исходном графе G, полученном на шаге 1.

Шаг 3. На полученном графе можно решать задачу коммивояжера, то есть найти цикл минимального веса, проходящий по всем вершинам .

Шаг 4. Получив структуру цикла в графе , выделить кратчайшие пути в графе G, соответствующие ребрам полученного цикла.

Методы решения "Задачи коммивояжера".

Рассмотрим алгоритмы получения верхней и нижней оценок для "Задачи коммивояжера" (ЗК).

Нижней оценкой для ЗК является решение, полученное с помощью алгоритма Прима-Краскала, в результате которого строится Кратчайшее Остовное Дерево (КОД). Длина искомого цикла не может быть меньше суммарного веса КОД.

Верхняя оценка цикла в ЗК может быть получена с использованием стратегии "иди в ближайший". Опишем подробнее этот алгоритм.

Шаг 1. Выбрать исходную вершину в графе G’ и считать ее текущей вершиной строящегося нового цикла.

Шаг 2. Найти ближайшую вершину к текущей вершине относительно длины ребра и сделать ее текущей. Увеличить вес цикла на длину ребра.

Шаг 3. Если не все вершины включены в цикл, то шаг 2 повторяется. Если в цикл включены все вершины графа, то запомнить суммарный вес ребер, включенных в цикл. Если вес полученного цикла меньше предыдущего решения, считать его наилучшим.

Шаг 4. Если не все вершины графа просмотрены как исходные вершины циклов, то перейти на шаг 1, иначе цикл, имеющий минимальный вес является верхней оценкой для ЗК.

Шаг 5. Полученное кольцо минимальной длины вложить в структуру ситуационных трасс первичной сети. При этом ветви кольца не должны содержать элементы структуры ситуационных трасс более одного раза. При нарушении данного условия необходимо трассу прохождения кольца по структуре ситуационных трасс, добиваясь независимости элементов кольца друг от друга.

Используя исходные данные задания на выполнение курсового проекта и изложенную выше методику, необходимо определить длину оптимального кольца по структуре ситуационных трасс города.

назад | содержание | вперёд