Разработка транспортной сети ГТС на базе системы передачи синхронной цифровой иерархии. Учебно-методическое пособие

Рис. 4.8.

а) структура возможных трасс прокладки кабеля; б) 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 [8].

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

i,j C

Анализ алгоритмов

Рассмотрим задачу, когда X = 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 X X 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 Дейкстра кратчайшие пути между всеми парами вершин из множества X . 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 су-

31

ществующий, либо вес, полученный из суммы длины ребра с весом предыдущей вершины. Эта процедура повторяется до тех пор, пока все вершины не будут просмотрены и отмечены.

Шаг 2. Построить полный граф G =(X ,U ), у которого множество вершин совпадает с множеством вершин X . Множество ребер соединяет все пары вершин по принципу каждая с каждой. 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 X .

Шаг 4. Получив структуру цикла в графе G , 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

иизложенную выше методику, необходимо определить трассу прохождения

идлину оптимального кольца по структуре ситуационных трасс города.

32

Пример

Требуется построить транспортную сеть для ГТС в виде оптимальной кольцевой структуры, суммарная длина участков которого имеет минимальную длину. При этом использовать следующие исходные данные:

-Сетка улиц города (граф ситуационных трасс). При этом каждый участок сетки улиц имеет длину L = 4км.

-Координаты размещения ОС и АМТС, приведенные в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Координаты размещения станций

На рис. 4.9. представлена сетка улиц города и места размещения станций ГТС в соответствии с таблицей 4.1.

Рис. 4.9. Сетка улиц и размещение станций

Для решения поставленной задачи воспользуемся выше изложенными алгоритмами.

1. Применяя алгоритм Дейкстра, определим кратчайшие пути от фиксированной станции до других станций ГТС. При этом определяем не только длину путей, но их маршруты по сетке улиц. Полученная информация будет использована для построения оптимального по длине кольца для вложения оптимального кольца в сетку улиц.

33

На рис. 4.10 - 4.12 представлены маршруты кратчайших путей по сетке улиц от каждой станции до других станций сети.

Рис. 4.10. Маршруты кратчайших путей по сетке улиц от ОС 1 и ОС 2 к другим станциям ГТС

Рис. 4.11. Маршруты кратчайших путей по сетке улиц от ОС 3 и ОС 4 к другим станциям ГТС

Рис. 4.12. Маршруты кратчайших путей по сетке улиц от АМТС к другим станциям ГТС

34

В таблице 4.2 представлены длины кратчайших путей между станциями сети при длине участка сетки улиц L = 4 км.

Талица 4.2. Матрица длин кратчайших путей, км

2. Построим вспомогательный полносвязный взвешенный граф G, в котором веса ребер соответствуют длинам кратчайших путей между станциями сети, взятыми из таблицы 4.2 (рис.4.15.).

3. На графе G, используя выше рассмотренный эвристический алгоритм, построим оптимальный цикл, связывающий все вершины вспомогательного графа. Длина оптимального цикла для рассматриваемого примера составляет 48 км.

4. Зная станции сети, через которые проходит оптимальный цикл и маршруты путей, входящих в цикл (рис.4.10.- 4.12.), произведем вложение данного цикла в сетку улиц (рис.4. 16.).

5. Анализ рис. 4.16. а) показывает, что путь между ОС 2 и ОС 4 и путь между ОС 3 и ОС 4 проходит по одному и тому же участку сетки улиц. При аварийной ситуации на указанном участке прохождения кольца по сетке улиц.(рис.4.16 а), может произойти изоляция ОС 4 от других стан Для исключения данной ситуации, произведем коррекцию трассы прохождения кольца по сетке улиц. Структура кольца после коррекции показана на рис. 4.16 б.

35

Рис. 4.16. Оптимальное кольцо, вложенное в сетку улица: а) в соответствии с рис. 4. 15;

б) после коррекции трассы прохождения кольца по сетке улиц

Контрольные вопросы

1.Укажите основные преимущества СП SDH по сравнению с системами передачи PDH.

2.Что такое синхронный транспортный модуль(STM)?

3.Перечислите функциональные модули СП SDH и укажите их основные функции.

4.Какие функции выполняет мультиплексор ввода/вывода?

5.Укажите основные базовые структуры, которые используются для построения сети SDH.

6.Поясните принцип работы однонаправленного и двунаправленного колец.

7.Изобразите сеть SDH, имеющую радиально-кольцевую структуру.

8.Перечислите исходные данные для определения оптимальной структуры сети SDH.

5.Выбор типа синхронного транспортного модуля (STM) и оптического кабеля

5.1. Выбор типа модуля STM

Синхронный транспортный модуль (STM) – это информационная структура, которая включает в себя информационную (полезную) нагрузку, секционный заголовок и служебную информацию, объединенных в блочную цикловую структуру с периодом повторения 125мкс. Эта информация соответственно подготовлена для последующей передачи со скоростью синхро-

36

низированной с сетью. Базовый синхронный модуль STM-1 позволяет собрать потоки со скоростью 2Мбит/с в этот модуль и передавать их со скоростью 155Мбит/с. STM-1 позволяет объединить 63 потока Е1. Каждому потоку Е1(2Мбит/с) соответствует свой адрес выделения.

Модуль STM-4 обеспечивает передачу 252 цифровых потоков Е1 со скоростью 622 Мбит/с. Модуль STM-16 позволяет объединить 1008 цифровых потоков типа Е1 и обеспечивает их передачу со скоростью 2,5 Гбит/с.

Для определения типа синхронного транспортного модуля в проектируемой сети SDH используются результаты, полученные в предыдущих разделах проекта:

-структура оптимального кольца с указанием местоположения мультиплексоров ввода-вывода (ADM) на данном кольце;

-схема взаимодействия ADM с узлами коммутации ГТС (РАТС, УВС и т.д.), АМТС и УСС;

-количество цифровых потоков стандарта Е1 между различными узлами коммутации телефонной сети (таблица 5.1).

На основании вышеуказанных данных строится матрица М емкостей кратчайших путей и ребер.

Матрица М включает:

-перечень взаимодействующих узлов коммутации (станций) сети ГТС, включая АМТС, УСС и другие узлы сети;

-количество цифровых потоков стандарта Е1 между различными узлами коммутации (станциями) ГТС, включая АМТС и УСС и другие узлы сети;

-перечень участков кольца, которые используются для создания основных и резервных путей (маршрутов) для передачи цифровых потоков Е1 между различными узлами (станциями) ГТС.

Пример

Пусть известны:

Схема построения ГТС (рисунок 5.1).

Структура кольца (рисунок 5.2).

Число ИКМ трактов передачи цифровых потоков Е1 между станциями ГТС в основных и резервных путях (таблица 5.2).

Необходимо составить матрицу М и определить тип STM, требуемого для реализации сети в рассматриваемом примере.

Рис. 5.1. Схема построения ГТС

37

Рис. 5.2. Структура кольца

Для построения первичной сети на базе SDH используем двунаправленное кольцо со 100% резервированием в случае аварии на участках кольца. Матрица М емкостей кратчайших путей и ребер для рассматриваемого примера представлена в виде таблицы 5.2.

После заполнения матрицы М для всех взаимодействующих станций и узлов телефонной сети определяется суммарное число трактов Е1 для каждого участка кольца первичной сети. Далее выбираем участок кольца на котором передается максимальное количество цифровых потоков Е1 (Sтреб). С учетом коэффициента запаса на развитие сети (Кр), необходимое число цифровых потоков Е1 (SH) должно удовлетворять следующему условию:

SH Кр ·Sтреб.

Рекомендуемый коэффициент Кр = 1.4 – 1.5 и может быть другим при соответствующем обосновании развития сети. Тип синхронного транспортного модуля выбирается с учетом стандартных уровней STM [4].

Если 0 SH 63, то выбираем STM 1; 63 SH 252 - выбираем STM 4; 252 SH 1008 - выбираем STM 16.

38

Таблица 5.2. Матрица М

5.2. Выбор типа оптического кабеля

Выбор типа оптического кабеля зависит от следующих основных факто-

ров [6]:

-требуемого числа оптических волокон в кабеле;

-используемой оптической системы передачи;

-от условий прокладки кабеля (в кабельной канализации, в грунт, под водой, по опорам ЛЭП и т.д.).

При реализации кольцевой структуры используется не менее 4 оптических волокон (2 основных и 2 резервных). Общее число волокон определяется исходя из емкости цифровых линейных трактов, необходимости резервирования, возможности использования кабеля для построения сети NGN и т.д.

Для соединения мультиплексоров системы SDH, как правило, используются одномодовые волоконно-оптические кабели. Достоинством таких кабелей является возможность передачи информации с высокой скоростью и большие длины регенерационных участков (более 100 км). Использование на ГТС одномодовых оптических кабелей с большим числом волокон дает возможность получить мощные пучки соединительных линий, избегая применения линейных регенераторов.

39

Выбор типа кабеля зависит от расстояния между узлами первичной сети. При организации первичной сети на территории города и расстоянии между узлами не более 40 км можно использовать одномодовые ОК и длину рабочей волны =1,3 мкм. При этом затухание данного кабеля составляет β1.3=0,35–0,4 дб/км. При расстоянии между узлами более 40 км целесообразно использовать тот же одномодовый кабель, но длину рабочей волны =1,55 мкм. Затухание кабеля в этом случае составит β1.55=0,10-0,25дб/км, но стоимость модуля оптического линейного тракта(Opt.155 или Opt.622) для длины волны 1.55мкм существенно больше чем стоимость модуля оптического линейного тракта для волны 1.3мкм.

В данной работе для построения транспортной сети кольцевой структуры рекомендуется использовать синхронный мультиплексор SM – 1/4 фирмы Simens. Техническая характеристика и комплектация оборудования SM –1/4 приведены в приложении Д учебного пособия. Как следует из технического описания, для стыковки мультиплексора М-155 с ОК, можно использовать два типа модулей оптического линейного тракта – Opt.155Мб (SH) или Opt.155 (LH) Мб. Модуль Opt.155Мб (SH) предназначен для коротких линий и использовании длины волны =1.3 мкм. Перекрываемое затухание при этом может достигать величины не более 28 дБ.

Как следует из технического описания, для стыковки мультиплексора М-155 с ОК, можно использовать два типа модулей оптического линейного тракта – Opt.155Мб (SH) или Opt.155Мб (LH). Модуль Opt.155Мб (SH) пред-

назначен для коротких линий и при использовании длины волны =1.3 мкм. Перекрываемое затухание при этом может достигать величины не более 28 дБ. Opt.155Мб (LH) предназначен для длинных линий ( =1.55 мкм) и также перекрывает затухание 28 дб.

Для мультиплексора М-622 также имеются два типа модулей оптического линейного тракта:

Opt.622мб (SH) – предназначен для коротких линий и при использовании длины волны =1.3 мкм. перекрывает затухание В 24 дБ;

Opt.622мб (LH) - предназначен для длинных линий и при использовании длины волны =1.55 мкм, перекрывает затухание В 24 дБ.

Зная максимальное расстояние между мультиплексорами ввода-вывода, а также тип используемого STM, можно определить оптимальную длину волны и выбрать соответствующий модуль оптического линейного тракта, производя минимальные затраты на построение кольца.

Пример

Максимальное расстояние между мультиплексорами ввода-вывода кольца составляет 60км. На сети используется STM-1.

Определим длину волны и тип модуля оптического линейного тракта, при которых стоимость участка сети будет минимальной.

40