Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

К ВОПРОСУ ОПТИМАЛЬНОГО ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ И ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО УЗЛА СВЯЗИ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Дьяченко Р.А. 1 Борисов С.Н. 1
1 ФБГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»
В настоящем исследовании рассмотрены наиболее распространенные технологии и топологии сетей, используемые при построении телекоммуникационных узлов связи, и дана оценка надежности для каждого из решений. Рассмотрена проблема оптимального выбора сетевой структуры для телекоммуникационных предприятий. На примере небольшого района составлены пять схем организации связи и выбрано наиболее подходящее оборудование. Для оценки надежности произведено моделирование каждого технического решения в программном комплексе автоматизированного структурно-логического моделирования «АРБИТР». На основе результатов моделирования сделан выбор наиболее оптимального решения с учетом заранее заданных ограничений. Для выбранного варианта составлено краткое заключение о его реальном применении в современных телекоммуникационных сетях, а также о перспективах применения специализированных программных комплексов для расчета показателей надежности.
оптимизация
сеть
топология
АРБИТР
моделирование
надежность
1. Атрощенко В.А., Кабанков Ю.А., Лоба И.С., Дьяченко Р.А. Методика оптимального выбора оборудования для систем гарантированного электроснабжения // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view id=15297 (дата обращения: 22.07.2017).
2. Атрощенко В.А., Степанов В.В., Юферова О.С., Кабанков Ю.А., Савицкий Ю.А. К вопросу построения аналитической модели межрегиональной распределительной сети / В.А. Атрощенко, В.В. Степанов // В сборнике: VI Международная научно-практическая конференция молодых ученых, посвященная 55-й годовщине полета Ю.А. Гагарина в космос. КВВАУЛ им. А.К. Серова. – 2016. – С. 225–229.
3. Дьяченко Р.А., Махаммад М.Д. Принятие решений при выборе инструментальных средств разработки автоматизированных систем / Р.А. Дьяченко, М.Д. Махаммад // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. – 2009. – Т. 1, № 72. – С. 106–109.
4. Можаев А.С. Технология автоматизированного структурно-логического моделирования надежности, живучести, безопасности, эффективности и риска функционирования систем / А.С. Можаев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2008. – № 9. – С. 1–14.
5. Можаев А.С., Нозик А.А., Струков А.В. Оценка надежности системы из элементов с тремя состояниями с использованием ПК АРБИТР / А.С. Можаев // Труды СПИИРАН. – 2013. – № 8 (31). – С. 123–146.
6. Нозик А.А., Можаев А.С., Струков А.В., Гладкова И.А. Применение программного комплекса АРБИТР в задачах проектной оценки надежности структурно-сложных систем / А.А. Нозик, А.С. Можаев // В сборнике: Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Международный научный семинар им. Ю.Н. Руденко. – 2015. – С. 624–633.
7. Рябинин И.А., Можаев А.С., Свирин С.К., Поленин В.И. Технология автоматизированного моделирования структурносложных систем / И.А. Рябинин, А.С. Можаев // Морская радиоэлектроника. – 2008. – № 2. – С. 52–55.
8. Гладкова И.А., Можаев А.С., Мусаев А.А. Метод логико-детерминированного моделирования сетевых систем / И.А. Гладкова, А.С. Можаев // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). – 2012. – № 14. – С. 89–96.

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

djch01.wmf,

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

djch02.wmf

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:

djch03.wmf

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.

djch04.wmf

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

djch05.wmf

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:

djch07.wmf

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

Наименование

Значение

Ед. изм.

Протяженность магистральных линий связи

850

м

Протяженность абонентских линий связи

7656

м

Стоимость абонентского комплекта

2658

руб.

 

Таблица 2

Пример расчета стоимости развертывания узла связи ci на основе технологии Ethernet

Наименование затрат

Кол-во

Ед. изм.

Цена, р.

Сумма, р.

Switch Eltex MES3124F

1

шт.

53500

53500

Switch Eltex MES2348B

25

шт.

39000

975000

Кабель оптический (4 волокна)

850

м

20

17000

Кабель UTP-5

7656

м

12

91872

ИБЭП MapSin MAP-PRO-12-1-3, 1,3 кВт

1

шт.

23900

23900

АКБ 12В, 90А

1

шт.

13500

13500

     

Итого:

1266644

 

djch1.tif

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

Наименование оборудования

MTBF, лет

Мощность, ватт

Switch Eltex MES3124F

30

50

Switch Eltex MES2348B

30

65

ИБЭП MapSin MAP-PRO-12-1-3, 1,3кВт

10

15

 

Кольцевая топология с предоставлением доступа к сети по технологии GPON

djch2.tif

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

Наименование

Значение

Ед. изм.

Протяженность магистральных линий связи

850

м

Протяженность абонентских линий связи

7656

м

Стоимость абонентского комплекта

5750

руб.

 

Таблица 5

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

Наименование затрат

Кол-во

Ед. изм.

Цена, р.

Сумма, р.

Switch Eltex MES3124F

1

шт.

53500

53500

GPON Eltex OLT LTP-4X

11

шт.

84500

929500

Кабель оптический внешний

850

м

20

17000

Кабель оптический внутренний

7656

м

10

76560

ИБЭП MapSin MAP-PRO-12-1-3, 1,3 кВт

1

шт.

23900

23900

АКБ 12В, 90А

1

шт.

13500

13500

     

Итого:

1113960

 

Таблица 6

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

Наименование оборудования

MTBF, лет

Мощность, ватт

Switch Eltex MES3124F

30

50

GPON Eltex OLT LTP-4X

30

40

ИБЭП MapSin MAP-PRO-12-1-3, 1,3 кВт

10

15

 

Технология GPON без кольцевой топологии

djch3.tif

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

Наименование

Значение

Ед. изм.

Протяженность абонентских линий связи

8336

м

Стоимость абонентского комплекта

5750

руб.

 

Таблица 8

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

Наименование затрат

Кол-во

Ед. изм.

Цена, р.

Сумма, р.

Switch Eltex MES3124F

1

шт.

53500

53500

GPON Eltex OLT LTP-8X

4

шт.

152750

611000

Кабель оптический внешний

710

м

43

30530

Кабель оптический внутренний

7656

м

10

76560

ИБЭП MapSin MAP-PRO-12-1-3, 1,3 кВт

1

шт.

23900

23900

АКБ 12В, 90А

2

шт.

13500

27000

     

Итого:

822490

 

Таблица 9

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

Наименование оборудования

MTBF, лет

Мощность, ватт

Switch Eltex MES3124F

30

50

GPON Eltex OLT LTP-8X

30

55

ИБЭП MapSin MAP-PRO-12-1-3, 1,3 кВт

10

15

 

Технология ADSL

djch4.tif

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

Наименование

Значение

Ед. изм.

Протяженность абонентских линий связи

13179

м

Стоимость абонентского комплекта

5660

руб.

 

Таблица 11

Пример расчета стоимости развертывания узла связи ci на основе технологии ADSL

Наименование затрат

Кол-во

Ед. изм.

Цена, р.

Сумма, р.

Switch Eltex MES2348B

1

шт.

39000

39000

DSLAM Eltex MXA-64

25

шт.

149250

3731250

Кабель внешний

5523

м

168

927864

Кабель внутренний

7656

м

4

30624

ИБЭП 220В/48В

1

шт.

156200

156200

АКБ 12В, 190А

2

шт.

38500

77000

     

Итого:

4961938

 

Таблица 12

Пример характеристик оборудования связи на основе технологии ADSL

Наименование оборудования

MTBF, лет

Мощность, ватт

Switch Eltex MES2348B

30

65

DSLAM Eltex MXA-64

30

65

ИБЭП 220В/48В

20

25

 

Технология WiFi

djch5.tif

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

Наименование

Значение

Ед. изм.

Стоимость абонентского комплекта

15183

руб.

 

Таблица 14

Пример расчета стоимости развертывания узла связи ci на основе технологии WiFi

Наименование затрат

Кол-во

Ед. изм.

Цена, р.

Сумма, р.

Switch Eltex MES3124F

1

шт.

53500

53500

БС Eltex WOP-12AC-LR (комплект)

16

шт.

33377

534032

ИБЭП MapSin MAP-PRO-12-1-3, 1,3кВт

1

шт.

23900

23900

АКБ 12В, 90А

1

шт.

13500

13500

     

Итого:

624932

 

Таблица 15

Пример характеристик оборудования связи на основе технологии WiFi

Наименование оборудования

MTBF, лет

Мощность, ватт

Switch Eltex MES3124F

30

50

БС Eltex WOP-12AC-LR

11

40

ИБЭП MapSin MAP-PRO-12-1-3, 1,3кВт

10

15

 

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:

djchen02.wmf

при ограничениях:

djchen03.wmf, djchen04.wmf, djchen05.wmf.

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

Технология построения

ci

ei

Pi

Wi

Di

Ethernet

1266644

190027,23

0.876693

14804,4

2658

GPON, кольцевая топология

1113960

121144,13

0.905503

2277,6

5750

GPON

822490

112055,78

0.958433

6964,2

5750

ADSL

4961938

560119,01

0.964915

14935,8

5660

WiFi

624932

121110,32

0.958335

6175,8

15183

 

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.


Библиографическая ссылка

Дьяченко Р.А., Борисов С.Н. К ВОПРОСУ ОПТИМАЛЬНОГО ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ И ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО УЗЛА СВЯЗИ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 8-2. – С. 251-258;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41656 (дата обращения: 17.10.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.094