Исследование и развитие телекоммуникационных систем в труднодоступных и малонаселенных регионах: На примере районов Краснодарского края

Актуальность работы. В настоящее время средства телекоммуникаций развиваются огромными темпами. Появляется отрыв в развитии и проникновении новых технологий телекоммуникаций и средств связи городов с большим населением от небольших населенных пунктов. Ускорение строительства сельской телефонной связи и ее интеграция в единую телекоммуникационную сеть России, начавшиеся в последнее десятилетие при поддержке Федеральной программы развития сельской связи, являются весьма актуальной задачей для становления современной инфраструктуры жизни в 2/3 части нашего региона.

Актуальность темы

исследований связана как непосредственно с самим предметом исследования — развитием телекоммуникационных технологий на телефонной сети общего пользования (ТФОП) в сельских и труднодоступных местах, так и с наступлением нового этапа в развитии электросвязи — решением проблемы выравнивания уровней технологий для обеспечения равного (ничем не дискриминированного) доступа человека к новым услугам связи в любой географической точке региона.

Разнообразие географических, социокультурных и экономических условий, и состояние уже существующей телекоммуникационной системы в различных сельских регионах, определяют пути развития, которые в свою очередь могут существенно отличаться друг от друга. На выбор пути развития сельских сетей оказывают влияние темп экономического развития, численность населения и климатические условия.

Важен и исторический аспект проблемы. В наследство от Советского Союза отрасли связи досталась коммуникационная сеть, ориентированная в первую очередь, на поддержку производственных процессов, и только во вторую — на обеспечение телефонной связью населения, проживающего в этой местности. Основной причиной сильного технического отставания существующей системы сельской связи является то, что она не может приспособиться к изменяющимся экономическим и техническим условиям. Например, большинство сельских телефонных станций (СТС) используют нестандартные системы сигнализации и специфические процедуры обработки абонентских вызовов, морально устаревшие узлы коммутации каналов и сообщений. Оператору, приходящему на рынок сельской связи, очень важно выбрать правильный путь модернизации, развития, а порой и построения с нуля телекоммуникационной сети.

В настоящий момент можно выделить несколько сценариев развития телекоммуникационной сети. Там, где позволяют экономические возможности региона, целесообразно ориентироваться на волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), при этом следует обязательно учитывать и географическое положение объектов связи. С появлением новых видов услуг необходимым станет увеличение пропускной способности сети, что возможно при использовании ВОЛС. Если построение участка сети на базе ВОЛС невозможно по географическим причинам или, например, нецелесообразно с экономической точки зрения, необходимо использовать цифровые радиорелейные линии (РРЛ). В этих системах связи преодолены основные недостатки аналоговых РРЛ, поэтому в настоящее время коммерческие операторы сотовых сетей связи на 75−85% используют цифровые РРЛ связи в качестве магистральных и транспортных участков.

Надежность работы таких участков в климатических условиях предгорного региона Краснодарского края (сильные порывы ветра, обледенения воздушных линий связи, перепады температур, продолжительные осадки, наводнения и подтопления населенных пунктов) заставляет оператора ТФОП обратить внимание на цифровые РРЛ. Немаловажен и тот факт, что скорость развертывания и включения в работу РРЛ составляет несколько дней, в то время как на прокладывание ВОЛС уходят месяцы. Для включения абонентских устройств в АТС в районах с низкой плотностью населения и большой удаленностью от центральной станции, целесообразно использовать системы беспроводного абонентского доступа (1¥-[, Ь), которые часто являются весьма эффективным, а порой и единственным способом развития СТС.

Учет всех перечисленных особенностей региона и новых возможностей ускоренного развития в нем СТС является, безусловно, актуальной задачей.

Объектом исследования настоящей работы является телекоммуникационная сеть, ориентированная на развитие связи в труднодоступных и малонаселенных районах Краснодарского края.

Предмет исследования включает структурный анализ существующей сети и новых тенденций развития мировых и российских телекоммуникационных систем для выбора концепции сетевого строительства СТС в Краснодарском крае.

Целью исследования в диссертационной работе является:

— анализ современного состояния телефонной сети общего пользования в сельской местности;

— построить математическую модель сети с определением пропускной способности и времени передачи и коммутации сообщений, как магистральных участков, так и абонентских линий.

— определение круга задач и решение проблем развития телекоммуникационной сети в сельских населенных пунктах и труднодоступных местах в условиях построения современной единой сети связи края;

— выбор оптимального варианта развития СТС для условий Краснодарского края.

Для этого предполагается решить следующие задачи:

— проанализировать состояние существующей ТФОП в сельской местности и труднодоступных населенных пунктах края;

— разработать модель телекоммуникационной сети, соответствующую условиям региона и современным требованиям, предъявляемым к таким системам;

— изучить механизмы взаимодействия СТС с современными телекоммуникационными системами и исследовать возможности их интеграции путем конвертирования нестандартных протоколов действующих на электромеханических АТС СТС в современные телекоммуникационные протоколы;

— предложить варианты построения сети, использующие существующие абонентские линии и учитывающие новые требования, предъявляемые к ТФОП;

— рассмотреть возможности использования беспроводных средств связи для построения транспортной сети с целью организации передачи трафика между СТС и транспортным узлом.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

1. Предложена модель сети связи, в основу построения которой положен принцип комплексирования существующей структуры СТС с современными телекоммуникационными сетевыми решениями.

2. Разработана методика выбора оптимальной структуры сети для современного этапа развития в регионах Краснодарского края.

3. Предложено научно-техническое решение гибридного построения СТС в Анапском районе, соответствующее новым уровням требований и экономическим возможностям региона.

4. Обоснована и предложена схема развития документальной электросвязи (телеграфа) в условиях формирующейся структуры телекоммуникационной сети региона.

5. Определены границы эксплуатационных характеристик существующих абонентских линий с целью построения на их основе универсальной мульти-сервисной сети региона.

Научная достоверность и обоснованность результатов, защищаемых в настоящей работе, состоит в том, что все теоретические исследования, разработки и практические реализации и внедрения основаны на использовании известных методических принципов современной науки (теорем Шеннона и Котельникова, законов Ома и Кирхгофа, методов линейного программирования и оптимизации по заданным показателям), экспериментальных и диагностических средствах информатики, системотехники, систем управления и контроля сетями связи.

Практическая ценность. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при создании отдельных частей телекоммуникационной сети Краснодарского края, в частности, в Анапском районе. Все результаты подтверждены актом внедрения и согласованы с техническими возможностями действующей сети, с концепцией ее развития в ближайшие годы в Краснодарском крае. Полученные результаты могут быть использованы в других аналогичных географических регионах России.

Внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при сетевом строительстве СТС в Анапском, Славянском и Темрюкском районах, модернизации телеграфии в документальную связь и дальнейшую интеграцию в современную телекоммуникационную сеть, развитии широкополосного доступа СТС к сети Интернет с использованием технологии xDSL.

На защиту выносятся следующие научные положения диссертации:

1. Способ комплексного объединения сетевых структур разного уровня развития, обеспечивающий построение гибридной телекоммуникационной сети, приемлемой для регионов Краснодарского края.

2. Способ оценки надежности СТС на основе подходов теории массового обслуживания и результатов статистических наблюдений.

3. Методика выбора оптимальной структуры модернизируемой сети.

4. Схема развития документальной электросвязи (телеграфа) в условиях выбранной модели телекоммуникационной сети региона.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации апробированы на региональных научно-технических конференциях, опубликованы в научных трудах НГМА (выпуски № 6 2001 г., № 7 2002 г., № 8 2003 г.) и статьях в центральной печати (всего 6 работ). Научный вклад аспиранта в разработку защищаемых положений диссертации определяющий.

Выводы по обоснованию выбора модели сети. Предлагаемая модель телекоммуникационной сети может быть построена на основе сложившейся архитектуры. Строительство наложенной широкополосной сети передачи данных можно осуществить на основе электромеханических АТС. Существующие магистральные медные линии связи можно использовать, заменив каналообразующее оборудование уплотнения, модемами с современными технологиями кодирования и модуляции. Это значительно сэкономит вложения в развитие и реконструкцию сети. Новые нетелефонизи-рованные направления выгодно строить с использование РРЛ, так как это значительно экономит время строительных работ и как показывают расчеты и опыт других операторов стоимость проекта. Новые перспективные направления целесообразно строить на основе ВОЛС. Длину распределительных абонентских линий необходимо сокращать путем установки цифровых концентраторов, емкость станций увеличивать. Таким образом, проектируемая модель будет представлять собой гибрид сложившейся структуры сети и встраиваемые в нее новые технологические направления телекоммуникационных услуг. Что обеспечит функционирование сети на основе существующих АТС и предоставление современных услуг, таких как широкополосный доступ у сети передачи данных и 1Р-телефония.

Глава 3. Выбор вариантов развития телекоммуникационных систем в проблемных регионах Краснодарского края.

3.1. Определение оптимальной структуры сети.

Техническое перевооружение сети связи обычно охватывает достаточно продолжительный период времени. Таким образом, необходимо при разработке новой (проектируемой) сети учесть несколько важных моментов. В течение времени модернизации сети продолжает эксплуатироваться устаревшее оборудование, имеющее недостаточно высокий уровень надежности. В таких условиях весьма актуальным становится выбор целенаправленной и экономически обоснованной стратегии постепенной модернизации телекоммуникационной сети. К моменту окончания модернизации телекоммуникационная система не должна морально устареть. Необходимо заложить возможность последующего обновления узлов и участков сети с минимальными затратами.

В [39] изложен методологический подход к выбору структуры сети доступа. Основная идея предлагаемого методологического подхода показана на рисунке 3.1. Рассматриваемая модель характерна для телекоммуникационной сети малой емкости. В данном случае сеть состоит из трех аналоговых АТС. На территории города есть два «пятна» новой застройки (НТ), в границах которых необходимо предоставить услуги телефонной связи.

Анализ фазы «О» целесообразно провести таким образом, чтобы определить оптимальную структуру ГТС к моменту завершения процесса ее модернизации. Эта структура показана как фаза «3». Оптимальная структура ГТС представляет собой нерайонированную сеть. Этот означает, что к моменту завершения процесса модернизации ГТС она будет состоять из одной цифровой АТС и четырех концентраторов (К). Два концентратора заменяют АТС1 и АТСЗ. Два других концентратора расположены в «пятнах» новой застройки (НТ).

Теперь, когда определено оптимальное решение на перспективу, надо разработать программу модернизации ГТС для перехода к фазам «1» и «2». Фаза «1» подразумевает замену аналоговой АТС2 на цифровую АТС,.

Рис. 3.1. Методологический подход к выбору структуры перспективной сети доступа с фазами модернизации. Фаза «'О'» — исходное состояние сети с участками не входящие в телекоммуникационную сеть (НТ), АТС — автоматические телефонные станции, К1,.К4 — концентраторы. Фаза «3» — модернизированная сеть. включение концентратора К2 в районе новой застройки. На фазе «2» аналоговая АТСЗ заменяется концентратором КЗ. В другом «пятне» новой застройки устанавливается концентратор К4. При переходе к фазе «3» вместо аналоговой АТС1 монтируется концентратор К1. Таким образом, процесс модернизации ГТС завершен.

Параллельно с модернизацией ГТС обычно проводятся работы, цель которых — поддержка других видов обслуживания. Среди этих работ можно выделить создание условий для обеспечения высокоскоростного доступа в Internet.

Параллельно с модернизацией сети обычно проводятся работы, цель которых — поддержка других видов обслуживания. Среди этих работ можно выделить создание условий для обеспечения высокоскоростного доступа в Internet. Пример реализации такой возможности показан на рисунке 3.2. Этот рисунок основан на предыдущей модели, но содержит только нулевую (начальную) и третью (завершающую) фазы модернизации сети.

Рис. 3.2. Общий план построения сети передачи данных при модернизации телекоммуникационной сети. Фаза «О» (сеть до реконструкции) — работа в сети через коммутируемый интернет (ПК (М)). Фаза «3» («новая» структура сети) -работа в сети осуществляется на основе xDSL-технологий.

В аналоговой сети доступ в Internet возможен с персонального компьютера (ПК), включенного через модем (М). Через коммутируемую сеть необходимо установить соединения с модемным пулом провайдера услуг Internet (ISP). Естественно, что скорость обмена данными будет ограничена несколькими десятками кбит/с. На фазе «3» в помещении каждого концентратора (на рисунке это решение показано для К1) устанавливается мультиплексор линий xDSL — DSLAM. Он обеспечивает высокоскоростной доступ в Internet. Аналогично в процессе модернизации ГТС решаются и другие проблемы, связанные с поддержкой новых инфокоммуникационных услуг.

При разработке соответствующих мероприятий вполне естественно стремление к наиболее экономичному расходованию средств, выделенных.

О" и «3». на развитие сети. Следовательно, на этапе проектирования, целесообразна постановка задачи максимального повышения качества функционирования сети при оптимальном распределении ограниченных ресурсов.

Рассмотрим ситуацию, когда /-й элемент сети, состоящий из п элементов (/=1, п), в результате мероприятий, направленных на повышение его надежности, может быть реконструирован в вариантах {/к, к>1}. Каждое из планируемых мероприятий требует для своей реализации затрат с,(/к) и приводит к тому, что по сравнению с исходным вариантом (?0) увеличивается среднее число работоспособных линий на соответствующем участке сети. В результате повышается качество функционирования сети, оцениваемое средней вероятностью того, что поступивший вызов получит соединение с требуемым абонентом и тракт информации будет соответствовать заданным нормам. В общем случае задача сводится к получению максимального значения выбранного показателя эффективности функционирования сети (Е) при условии, что не превышаются ограничения по вели* чине затрат ©, т. е. необходимо найти тахЕ ({о- 1=1, п-/> 1}) при.

2>,(/7)<с.

Процедуру построения оптимального плана реконструкции сети связи, обеспечивающего наиболее эффективное повышение качества функционирования сети, можно представить в виде некоторого многошагового процесса [39]. На очередном шаге отыскивается элемент сети, модернизация которого дает наибольший удельный выигрыш в улучшении показателя эффективности системы, т. е. наибольший прирост значения показателя функционирования сети АЕ в расчете на единицу стоимости.

Предполагается, что для каждого элемента сети все варианты его реконструкции образуют выпуклую вверх доминирующую последовательность. Это имеет место в случае, когда рассматриваются только целесообразные варианты реконструкции, т. е. большим затратам соответствует более существенное повышение надежности элемента сети. Тогда на первом шаге при определении элемента, для которого повышение надежности дает наибольший эффект с точки зрения сети в целом, вычисляются коэффициенты [79]: i). • i Y? ~ C (D (3.1) где:

АГ (1) Г (1) г (0) г (0) tm i — 111 i я — u — показатель эффективности функционирования сети для ее исходного (существующего) варианта- /ГО).

— значение этой величины на первом шаге оптимального процесса при условии, что для повышения надежности вариант i0 для г-го элемента заменяется вариантом i (i=, n);

С¡- ' = ci (i) — денежные затраты на соответствующую модернизацию.

Далее необходимо найти номер элемента (к), соответствующий условию Yk=max y?(,). Именно у этого элемента вариант к0 заменяется на к и в результате первого шага имеем Е (1)=Е/1}- Са> =C?'>.

На каждом следующем g-м шаге аналогичным образом вычисляются коэффициенты целесообразности для разных вариантов замены:

У* - C (g) (3.2) и определяется номер элемента (к), соответствующий условию yk=maxy?g) (з.з).

Описанные действия продолжаются до тех пор, пока соблюдаются условия С (1)+ с (2)+.+ С (ё)< С*.

Используя такой алгоритм подхода к планированию реконструкции телекоммуникационной сети можно зная конечную величину затрат на модернизацию сети (С*) оптимально распределить выделенные ресурсы на все элементы (к) планируемой сети вычисляя коэффициенты у/8). Важно учесть тот момент, что при выделении дополнительных средств на модернизацию сети необходимо определить наиболее рациональный вариант вложения дополнительных средств не только обеспечив развитие сети, но и обеспечение его устойчивой работы, принимая во внимание вероятность отказа оборудования.

3.2. Развитие сельской телефонной сети на основе беспроводных решений.

Низкая эффективность внедрявшихся многие десятилетия простейших линейных сооружений сельской электросвязи из-за очень высокой повреждаемости, большого времени восстановления, малых сроков службы, больших затрат, что не способствует рентабельности сети и ее быстрому развитию, относительно малое число возможных абонентов в нетелефонизированных населенных пунктах. Все это ставит телефонизацию и последующую эксплуатацию сети вне прямого экономического интереса для большинства операторов связи. Нерентабельность сельских телефонных сетей характерна для большинства стран мира, имеющих большие территории, но, тем не менее, их сети сельской связи успешно развиваются благодаря регулируемому перераспределению средств, зарабатываемых другими звеньями сети, и помощи государства, а также использованию более эффективных технических средств, созданию совершенно новых технических средств, повышающих рентабельность и позволяющих преодолеть известные трудности «последней мили» и все менее известные «трудности больших расстояний» с помощью различных вариантов систем радиосвязи на СВЧ, на практике именуемых «радиодоступ». Это, в первую очередь, РРЛ соединительных линий, РРЛ выноса емкости группы абонентов, а также разновидности РРЛ для линий типа «точка — много точек» с закрепленными и коммутируемыми по запросам каналами.

Об экономической эффективности использования средств беспроводного доступа. Допустим, что оператору местной телефонной сети требуется подключить к действующей АТС новую группу абонентов. Стоимость работ по подключению может составить при этом УДрис.З.З). Работы по реализации этой задачи, начинающиеся в момент времени 10, могут выполняться по двум сценариям, которые основаны на использовании проводных или радиотехнических средств.

Рис. 3.3. Экономическая эффективность использования средств беспроводного доступа. Iwo — начальные инвестиции необходимые для начала строительства беспроводной сети. /" - инвестиционная кривая реализации построения беспроводной сети. Момент окончания строительства ti. Isoначальные инвестиции необходимые для начала строительства проводной сети. Is — инвестиционная кривая реализации построения проводной сети. Момент окончания строительства I2 Dw — процесс получения доходов от эксплуатации беспроводной сети.

Для сценария, подразумевающего применение проводных средств, процесс создания сети доступа может быть представлен кривой Is, которая отражает инвестиционный цикл (значение Iso определяет величину начальных затрат). Для сценария, основанного на применении беспроводных технологий, процесс создания сети доступа представим кривой Iw, а значение Iwo также определяет величину начальных затрат. Процесс создания сети доступа на базе проводных средств полностью завершится к моменту ?2, а использование беспроводной технологии позволит подключить абонентов в АТС к моменту Оборудование включается в коммерческую эксплуатацию только после завершения всех работ, то есть на отрезке времени [//, доходы могут быть получены только при использовании беспроводной технологии. Соответствующий процесс представлен кривой Д^,.

О необходимости применения радиорелейных решений. Удельные затраты на оборудование СТС всегда будут повышенными, по сравнению с оборудованием большей пропускной способности, так как изменение пропускной способности мало влияет на величину затрат на комплектование и изготовление аппаратуры, а значительно упростить ее не позволяют требования по электромагнитной совместимости и качеству передачи информации. Реально снижение стоимости радиорелейного оборудования СТС и его эксплуатации возможно за счет повышения технологичности изготовления и серийности выпуска оборудования путем ограничения номенклатуры применяемых в регионе типов изделий и целенаправленного формирования большой потребности в нем. При каких условиях РРЛ будет экономически более эффективна, чем кабельная линия? При малых длинах линии (5−10 км) кабель может иметь преимущество по затратам на оборудование. Однако в этом случае могут не понадобиться мачты для антенн, и только расчет всех затрат выявит преимущество варианта реализации линии. Короткие линии чаще всего уже реализованы и требуется решение задачи телефонизации удаленных населенных пунктов. При длинах линии 30−50 км удельные затраты на оборудование РРЛ будут существенно меньше. Сравним затраты на оборудование РРЛ и на оборудование сельской кабельной линии (без учета прокладки и монтажа) при одинаковой их длине. Стоимость комплекта оборудования для линии на кабеле КСПЗПБ 1x4x1,2 длиной 35 км, за исключением блоков, общих как для кабельной, так и для радиорелейной линии (ОКО-14, АЦО-11 или другого оконечного оборудования стыка с АТС), составляет 795,14 тыс. рублей с НДС.

Можно определить допустимую стоимость аппаратуры одной станции «Пихта-7ЦфС-2» при наименее выгодных для РРЛ условиях применения, когда на станциях требуется установка мачты типа «Шпора-7» высотой 40,7 м. Стоимость ее около 174 тыс. рублей, включая НДС. В этом случае, стоимость комплекта аппаратуры одной станции РРЛ должна быть не более 223,55 тыс. рублей. Затраты на оборудование однопролетной РРЛ или кабельной однопролетной линии с шестью регенераторами будут одинаковы, если радиоаппаратура одной станции РРЛ будет стоить не более 7708 долл. (223,55 тыс. рублей с НДС). Во многих иных случаях (например, существует антенная опора хотя бы на одной из станций, для установки крышевой антенны возможно использование высокого здания в радиусе до 2 км и т. п.) затраты на оборудование РРЛ будут существенно меньше затрат на оборудование кабельной линии, т. е. может быть получена существенная экономия. Эксплуатация РРЛ с оборудованием, сосредоточенным в двух пунктах, также потребует существенно меньших затрат, поскольку не нужны охрана трассы и ремонт кабелей.

Основные диапазоны возможных рабочих частот РРЛ: 0,4. 11 ГГц, с десятками номиналов рабочих частот и возможностью использования на одной РРЛ двух ортогональных линейных поляризаций сигналов. Наиболее подходящими являются диапазоны 1,7.2,1 ГГц либо любая половина, 2,1.2,3 или 2,3.2,5 ГГц, однако наступление зарубежной техники мобильной связи и передачи данных почти ничего из этих полос не оставляет для фиксированной службы СТС. Подходящими являются также диапазоны 2,5.2,7- 3,4.3,7- 7,25.7,55- 10,38.10,68 ГГц, но решение принимает ГКРЧ по конкретной заявке с учетом меняющейся обстановки. На линиях с короткими интервалами возможно использование оборудования более высокочастотных диапазонов, если они однопролет-ные, либо приемлемы повышенные затраты оператора.

Технический уровень радиорелейной приемопередающей аппаратуры (с модемом) нельзя оценить по одному, даже наиболее важному параметру. Уровень следует оценивать хотя бы по трем-четырем комплексным параметрам, характеризующим оборудование с важнейших сторон. Нужно использовать, например, следующие комплексные характеристики цифровой радиорелейной аппаратуры: 1) эффективная мощность сигнала Рпц/М- 2) энергетическая эффективность передачи (Рп</М/Рпотр- 3) эффективность использования радиочастот ВЮ/СТВ. Здесь N — коэффициент шума, ед.- Рпдмощность передатчика, Рпо,"р — мощность, потребляемая приемопередатчиком, ВтВскорость цифровой передачи, битй/ств — полоса частот по уровню минус 30 дБ, занятая одним стволом, Гц. Эффективность использования радиорелейного оборудования можно определить как величину Q:

Q Рпд ВКсист //VО/с/ив Рпотр• (3.4).

Корректное сравнение предполагает один и тот же (либо близкий) диапазон частот и одинаковую (либо близкую) скорость передачи. Эти величины сами по себе не характеризуют полностью технический уровень оборудования, они могут быть исходными параметрами для выбора оборудования. Сравнивая некоторые отечественные системы с зарубежными, можно убедиться, что они нисколько не уступают им по технической эффективности (например, «Пихта-2», «Пихта-0,4Цф»).

Высокая эффективность системы «Пихта-7ЦфС-2» может быть получена при использовании ее для связи из районного узла связи в нескольких направлениях по азимуту, для подачи каналов соединительных линий на оконечные сельские АТС, либо для выноса емкости районной АТС в удаленные пункты (один из видов радиодоступа к сети связи). Такой вид радиодоступа обеспечивает повышенную дальность и устойчивость связи по сравнению с распределительной системой, энергетика которой существенно ниже в связи с наличием антенны с круговой диаграммой направленности. Рассмотрим случай, когда требуется организовать связь из райцентра в 12 направлениях, равномерно распределенных по азимуту. С учетом направленности антенны, высокого защитного действия в секторе (180+45°) — не менее 65 дБ, высокой развязки СВЧ сигналов по поляризации, избирательность приемников по соседним каналам (с шагом тельность приемников по соседним каналам (с шагом 7 МГц) и достаточно малой полосы излучения (менее 3 МГц) возможна организация 12 линий из одного районного узла связи, с использованием частот только трех смежных радиостволов (например, первого, второго и третьего), при общем количестве 20. Не вызывает сомнения достаточность частотного ресурса для использования системы в смежных районах. Со сдвинутой сеткой — в диапазоне 39 рабочих стволов. Двенадцать работающих без существенных взаимных помех цифровых стволов Е1 из одного районного узла, азимуты которых отличаются в среднем на 30°, обеспечат радиодоступ всех АТС СТС к центральной станции и через нее доступ к внутризоновой сети.

Алгоритм подготовки и ввода в эксплуатацию беспроводного радиорелейного оборудования связи представлен в приложении.

3.3. Сценарии построения оптимальной структуры абонентской сети.

Затраты на цифровизацию местной телефонной сети зависят от множества факторов. Безусловно, выбор сценария также влияет как на технические характеристики телекоммуникационной системы, так и на ее стоимость. Любой сценарий модернизации и оптимизации СТС должен приводить к созданию цифровой сети с заранее заданными и практически одними и теми же техническими характеристиками. Во-первых, цифровая местная телефонная сеть должна обеспечивать установленные для ТФОП показатели качества обслуживания вызовов и качества передачи речи. Во-вторых, абонентам местной телефонной сети должны быть доступны все обязательные для ТФОП услуги вне зависимости от места включения абонентской линии (АЛ) — коммутационная станция, концентратор или иное устройство сети абонентского доступа. В-третьих, местная цифровая телефонная сеть должна обеспечить введение широкого спектра новых телекоммуникационных услуг, предусмотренных, например, концепциями ЦСИО и Интеллектуальной Сети. Конечно, цифровые телефонные сети, построенные на основе разных сценариев, будут различаться по своим техническим характеристикам. Но эти различия не столь существенны. Таким образом, возможные сценарии цифровизации местных телефонных сетей целесообразно сравнивать по экономическим показателям. Результаты соответствующего анализа можно использовать в качестве критерия оптимальности проектных решений.

В первую очередь, рассмотрим эффективность использования цифровых коммутационных станций большой емкости. Исследуемую характеристику можно выразить функцией с=т), (з.4) где С — стоимость одного номера (порта) цифровой коммутационной станции;

N — емкость станции.

Характер интересующей нас функции может быть установлен следующим образом. Рассматривается ряд контрактов на покупку Операторами цифровых коммутационных станций емкостью Л^, И2, ., Л^. Статьи затрат, приходящиеся на коммутационное оборудование, позволяют для каждого случая модернизации рассчитать стоимость одного номера — С|, С2, ., СА соответственно (рис. 3.4).

Таким образом, необходимо четко определять ту граничную емкость модернизируемой АТС (учитывая перспективы района востребованностью телефонами в ближайшее время) для того, чтобы обеспечить экономическую окупаемость проекта и решения поставленных технических задач.

Значительное увеличение емкости станции, с целью снижения стоимости порта, может увеличить протяженность абонентских линий от АТС до конечного пользователя. Это отрицательно скажется на качестве предлагаемых услуг.

С.руб.

Рис. 3.4. График зависимости стоимости порта цифровой АТС от её ёмкости. Увеличение ёмкости модернизируемой АТС обеспечивает снижение стоимости порта, но не гарантирует возможность 100% ёмкости устанавливаемой АТС, даже с учетом перспектив выбранного региона.

Оценка средней длины линий в сети абонентского доступа. На рис. 3.5. представлена структура распределительной абонентской сети до и после модернизации.

ТА.

Рис. 3.5. Характер распределительной абонентской сети до модернизации (установлена аналоговая АТС (ААТС)) и после установки цифровой АТС (ЦАТС) с подключением абонентов через концентратор (К). 4 — длина абонентской линии.

В левой части рассматриваемой модели показана аналоговая АТС, к которой телефонный аппарат (ТА) подключаются двухпроводными физическими линиями. Будем считать, что нам известны число АЛ (IV) и длина каждой из них (1к). Тогда среднее значение длины индивидуальной линии для такой схемы подключения ТА определяется как:

В процессе замены аналоговой АТС на цифровую, по всей видимости, расширятся границы пристанционного участка. Это объясняется тем, что Оператору, при цифровизации местных сетей, выгодно устанавливать коммутационные станции большой емкости (рис. 3.3). Среднее расстояние между терминалом и коммутационной станцией (/2), в этом случае, возрастет, то есть /2 > 1. Величина /2, в свою очередь, состоит из двух слагаемых, которые определяют средние значения длин для индивидуальной линии (от ТА до концентратораК) и группового тракта (от концентратора до ЦАТС) соответственно.

Важной особенностью модернизируемых современных сетей абонентского доступа можно считать тот факт, что существенно сокращается длина индивидуальной линии (4). Это означает, что физическая цепь становится очень короткой. Таким образом, появляются новые возможности для операторов:

— возможность использования технологии типа xDSL для организации цифровых трактов с высокой пропускной способностью;

— сравнительно небольшие затраты при замене абонентских кабелей с медными жилами на оптический кабель.

Методика выбора оптимальной структуры транспортной сети. Разработку технической и экономической политики характерной для решаемой задачи необходимо начинать с анализа двух вопросов. Во-первых, необходимо выяснить потенциальные возможности эксплуатируемых сетей (рис. 3.6). Параллельно необходимо выполнить анализ тех современных требований к инфокоммуникационной системе, которые характерны для данного региона. Эти задачи входят во второй блок. Например, курортные.

3.5) районы испытывают потребность в высококачественном доступе к сети интернет, междугородних и международных переговоров как используя стандартную телефонию, так и /Р-телефонию. Таким образом, необходимо заложить увеличенную пропускную способность транспортного участка, как по голосовому трафику, так и по /Р-трафику.

В результате могут быть спрогнозированы основные показатели (емкость, пропускная способность, надежность, масштабируемость, экономическая эффективность), которым должна отвечать инфокоммуникационная система модернизируемого региона (города, сельской местности или иной территории) в пределах анализируемого отрезка времени (горизонта планирования).

Далее (четвертый блок) принимается очень важное решение, определяющее место оператора на рынке инфокоммуникационных услуг. На рисунке 3.6 эта процедура «Позиционирование на рынке инфокоммуникационных услуг» .

При наличии конкурентной борьбы это важный элемент в алгоритме выбора оптимальной структуры планируемой сети. Два полярных решения, которые может быть обозначено это, то, что-либо компания продолжает заниматься только рынком услуг классической телефонии или оператор расширяет спектр своих услуг (передача данных, телевизионное и звуковое вещание, телеметрию, информационное обслуживание). Т. е. предполагается строительство мультисервисной сети. Скорее всего, оптимальное решение лежит где-то посередине, но в каждом конкретном случае необходимо решать очень сложную задачу, для которой еще не разработаны эффективные экономико-математические методы. В настоящее время чаще всего используется метод «мозгового штурма» [79], позволяющий на основе знаний, которыми располагают участники процесса принятия решений, разработать долгосрочную стратегию деятельности оператора на предполагаемом участке сети.

Рис. 3.6. Методика выбора оптимальной структуры модернизируемой или проектируемой транспортной сети (ТС) оператора. Процесс построения происходит путем перебора различных сценариев путем получения оптимальных прогнозируемых показателей. В процессе выбора необходимо учитывать как возможность развития сети классическим путем (использование сети с коммутацией каналов), так и путь, в котором новая сеть будет функционировать на основе сети с коммутацией пакетов. Последний вариант является более предпочтительным с учетом современных тенденций.

Пятый блок включает две задачи. Сначала необходимо выполнить процесс декомпозиции инфокоммуникационной системы, выделив общую транспортную сеть, совокупность коммутируемых сетей и сетей передачи данных ориентированных на пакетную передачу информации. Задачи планирования коммутируемых сетей и сетей с пакетной передачей выделены в отдельные блоки. С одной стороны, выделение этих задач необходимо по ряду причин. С другой стороны, соответствующие задачи объективно связаны с процессом планирования транспортной сети.

После решения задачи декомпозиции следует выбрать набор критериев для поиска оптимального варианта создания транспортной сети. В старых учебниках по сетям связи этот этап планирования сети не был сложным. Для сетей связи общего применения требовалось минимизировать суммарную стоимость станционного оборудования и линейно-кабельных сооружений при заранее заданных ограничениях на показатели надежности и качества [74]. Мерой стоимости обычно были приведенные капитальные затраты. Теперь в качестве меры стоимости используются чистая текущая стоимость (NPV), внутренняя норма доходности (IRR), а также другие функции и показатели. Такое изменение характера оптимизационной задачи усложняет ее решение.

Транспортная сеть может быть построена различными способами. Обычно выделяют множество {/}, включающее набор сценариев, которые представляют различные варианты построения транспортной сети. В каждом сценарии необходимо выделить иерархические уровни, которые, как правило, определены принципами построения коммутируемых сетей. На каждом уровне иерархии ТС решается оптимизационная задача.

В результате, для каждого i-ro сценария, где i С {/}, можно рассчитать технико-экономические показатели ТС. Потом анализируется следующий сценарий. Полученные данные для всех сценариев построения ТС позволяют выбрать то решение, которое будет реализовано на практике. Безусловно, что выбор такого решения связан с анализом рисков (технических, технологических и экономических) и тех факторов, которые не могут быть учтены в рамках экономико-математической модели ТС.

Рис. 3.6. Гибридная модель телекоммуникационной сети. Центральная станция (ЦС) — цифровая АТС с поддержкой протоколов управления удаленными объектами V5.2 и протока H323V2. Цифровой вынос (ЦВ) обеспечивает совместную работу и согласование с устаревшей аналоговой АТС (ОСа), возможность подключения как обычных проводных телефонных аппаратов (ТА), так и минисо-товых базовых станций (wll). PCM — оборудования уплотнения абонентских линий с поддержкой современных протоколов (ЦСИО). К ЦВ подключены дополнительные выносы по медному, оптическому кабелю или PPJ1 с поддержкой протоколов V5.2 и Н323 V2.

Учитывая все выше сказанные аргументы в пользу модернизации телекоммуникационной сети с учетом всех современных тенденций развития сети получим модель сети (рис. 3.6). Гибридная модель телекоммуникационной сети. В качестве центральной станции (ЦС) используется цифровая АТС поддерживающая протокол управления удаленными объектами V5.2 и протокол H323V2. Устанавливаемый цифровой вынос (ЦВ) на начальном этапе обеспечивает совместную работу и согласование с устаревшей аналоговой АТС (ОСа), возможность подключения как обычных проводных телефонных аппаратов (ТА), так и минисотовых базовых станций (wll) обеспечивающих как традиционных доступ к телефонии, так и поддержку широкополосного доступа к сети передачи данных. Появляется возможность подключения цифрового оборудования уплотнения абонентских линий (РСМ) с поддержкой современных протоколов (ЦСИО). К ЦВ можно подключить дополнительные выносы как по медному или оптическому кабелю так и при помощи PPJ1. В обоих случаях возможна поддержка протоколов V5.2 и H323V2.

Предлагаемая модель обеспечивает постепенный перевод сети на новый характер трафика пользователей, преобразующегося из одномерного телефонного в многомерный мультисервисный. Прогнозы роста трафика (таблица 2.1) доказывают, что по мере развития общества к «электронному» (постиндустриальному) этапу произойдет двукратное превышение трафиком Интернет речевого трафика ТФОП. Таким образом, уже сейчас необходимо начинать ориентировать сетевое строительство на процесс конвергенции сети из коммутации каналов в коммутацию пакетов. В экономическом смысле преобразование сети в мультисервисную является также более выгодным путем. В условиях края процесс пакетизации сети будет сопровождаться решением задач по дальнейшей телефонизации. Наиболее привлекательным является концепция мультисервисных узлов, позволяющих создавать фрагменты новой сети в условиях сохранения существующей сетевой иерархии.

3.4. Обеспечение качества услуг в телекоммуникационной сети.

Существующий способ коммутации каналов (КК) на телефонных сетях общего пользования не обеспечивает возможностей гибкого изменения путей маршрутизации, пропускной способности канала и его управления. При построении сети с коммутацией пакетов (КП) возникают вопросы гарантированной доставки пакетов, время доставки и обеспечение заданной пропускной способности на всем участке от абонента-отправителя до абонента-получателя.

Нельзя однозначно перейти от сети с КК. Необходима постепенная конвергенция в сеть, где будут использоваться участки с КК и КП. При этом в канале с заданной гарантированной пропускной способностью (VLAN) будут передаваться данные в виде пакетов. В условиях конвергенции сети от сети с коммутацией каналов (КК) в мультисервисную сеть (КК+КП) (рис. 3.7) необходимо определить приоритеты (PI, Р2, РЗ) для каждого типа пакетов (передача голоса, данных по запросу, видео, электронной почты). Эти пакеты будут сгруппированы и помечены метками (L1) по приоритетам. Появляется возможность динамически менять пропускную способность канала (VLAN), добавлять новые каналы.

Таким образом, у сети появляется способность дифференцировать различные типы трафика или виды сервиса так, что некоторым из них мог быть предоставлен приоритет по отношению к другим. Это делается с помощью следующих методов:

— за счет предварительного резервирования полосы пропускания для трафика с известными параметрами (например, значениями средней интенсивности и величины пульсации);

— принудительного профилирования входного трафика, что поддерживает коэффициент нагрузки устройства на нужном уровне;

— использования сложных алгоритмов управления очередями. Чаще всего в маршрутизаторах и коммутаторах применяются следующие алгоритмы обработки очередей (традиционный алгоритм FIFO)',.

— приоритетное обслуживание (Priority Queuing), которое также называют «подавляющим», взвешенные настраиваемые очереди (Weighted Fair Queuing, WFQ).

Рис. 3.7. Процесс конвергенции из сети с коммутацией каналов (КК) и коммутации пакетов (КП) в сеть, где обеспечивается гарантированная пропускная способность для пакетов в выделенных каналах (VLAN).

Важным показателем для успешного перехода к конвергенции сети является качество обслуживания (Quality of Services (QoS')) — обеспечивающее согласованность, надежность и предсказуемость работы приложений, играющих наиболее важную роль в работе новой сети, пользователей и устройств, в то же время не усложняя процессы управления и администрирования. Качество обслуживания Quality of Service означает, что инфраструктура, поддерживающая данную функцию, обеспечивает доступность, надежность, производительность и предсказуемость при работе сети. Функция Quality of Service определяет, насколько хорошо функционирует сеть, включая соединения или потоки. Из-за повреждения отдельных каналов и их пучков меняются пропускная способность и структурная надежность сети связи, причем вероятность повреждения каналов во многих случаях также является величиной переменной, зависящей от сезонности, условий эксплуатации и ряда других факторов, зачастую не поддающихся учету. В связи с этим в современных системах связи большое внимание уделяется выбору такого алгоритма обслуживания, который мог бы учесть возникающие изменения в ситуации на сети и обеспечить в изменяющихся условиях сохранение заданного значения обобщенного критерия качества обслуживания. Системы управления, реализующие такие алгоритмы обслуживания заявок, называются динамическими. Основное их назначениевыбрать и установить на сети связи оптимальный по заданному критерию путь передачи информации от вызывающего источника к вызываемому потребителю в соответствии с поступившей от источника заявкой на эту передачу и с учетом ситуации на сети.

Проблемой определения классов QoS TP-телефонии и IP-сетей, разработкой технологической и нормативной базы для обеспечения гарантированного качества услуг в IP-сетях сегодня занимаются ведущие международные организации в области стандартизации телекоммуникаций, в числе которых Сектор телекоммуникаций Международного Союза электросвязи (МСЭ-Т), Инженерная группа по развитию Интернет (IETF),.

Форум мультимедиа связи (ММСГ), Европейский институт ЕиЯЕБСОМ.

В текущем исследовательском периоде 2001;2004 гг. в рамках исследовательских комиссий (ИК) 2, 12, 13 и 16 МСЭ-Т запланированы работы по определению и нормированию показателей производительности сетей /Р-телефонии и соответственно 1Р-сетей, определению классов качества услуг в 1Р-сетях. В сентябре 2001 г. была одобрена Рекомендация МСЭ-Т У. 1541, определяющая параметры производительности и соответствующие классы /Р-сетей, которые приведены в таблице 3.1.

5.

Заключение

и общие выводы.

В результате проведенного исследования современного состояния телефонной сети общего пользования в сельской местности Краснодарского края, тенденций развития телекоммуникаций, определен круг задач, решаемых для построения современной телекоммуникационной сети.

Построена математическая модель телекоммуникационной сети. На основе математической модели, определены оптимальные пропускные способности магистральных участков с использованием профилей. Выбран оптимальный вариант для развития СТС для условий Краснодарского края исходя из математической модели и экономических аспектов и возможностей модернизируемого участка. Проведен расчет надежностных характеристик сети. По результатам практических экспериментов предложен механизм построения широкополосного доступа к сети Интернет, используя существующие АЛ, предполагающий развитие мультисервисной сети. Предложена и построена телеграфная сеть, адаптированная для использования на различных типах каналов связи, сложившейся структуры сети.

В диссертационной работе решены следующие научные и практические задачи: изучены механизмы взаимодействия СТС с современными телекоммуникационными системами и исследованы возможности их интеграции путем конвертирования используемых на электромеханических АТС нестандартных протоколов в современные протоколы связи;

— рассмотрены возможности использования беспроводных средств связи для построения транспортной сети с целью организации передачи трафика между СТС (используя коммутацию каналов и коммутацию пакетов) и транспортным узлом, и предложены варианты решения задачи «последней мили» на основе беспроводных средств связи;

— разработана и построена модель телекоммуникационной сети, соответствующая условиям региона и современным требованиям, предъявляемым к таким системам по принципу комплексирования существующей топологии сети с современными телекоммуникационными решениями, ориентированными на пакетную передачу данных с гарантированной пропускной способностью;

— определены границы эксплуатационных характеристик существующих абонентских линий с целью построения на их основе универсальной мультисервисной сети региона;

— обоснована и предложена схема развития документальной электросвязи (телеграфа) в условиях формирующейся структуры телекоммуникационной сети региона.