АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

 

 

 

Кафедра автоматической электросвязи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

 

                                                               

Программа, методические указания и задания

к расчетно-графическим работам (для студентов специальностей:

3801- Сети связи и системы коммутации;     3802 - Многоканальные телекоммуникационные системы).


 

 

 

 

 

Алматы 2001

 

СОСТАВИТЕЛЬ: Г. П. Данилина.

          Сети электросвязи. Программа, методические указания и задания к расчетно-графическим работам (для специальностей 380140, 380240).- Алматы: АИЭС, 2001-30 с.

 

 

 

 

Курс Сети электросвязи должен сформировать у студентов представление о сетях связи как целостной, иерархически организованной,  большой и развивающейся системе. В приведенной ниже программе перечислены теоретические вопросы создания оптимальных сетей, алгоритмы и методы решения проблем, способы практической реализации задач, освоение которых позволяет достичь поставленной цели. Изложены методические указания к расчетно-графическим работам: постановка задачи, алгоритм решения, иллюстрация на конкретном примере, варианты задач. Приведен список основной и дополнительной литературы.

 

Ил. 14  , табл. 5  , библиогр.-4

 

 

 

 

 

 

Рецензент: доц. кафедры Телекоммуникационные сети и системы, канд.техн.наук Г.С. Казиева.

 

    

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2001 г.

 

 

 

 

 

©   Алматинский институт энергетики и связи, 2001 г.

I ПРОГРАММА КУРСА

 

 

          Целью курса является формирование  у студентов представлений о сетях связи как целостной, иерархически организованной, большой и развивающейся системе.

          Для достижения цели студенты должны усвоить теоретические знания по вопросам оптимального проектирования сетей связи, их эффективного и устойчивого развития, отвечающего определенным требованиям обслуживания (надежности, качеству, объему).

          На практических занятиях студенты приобретают навыки формализации задач анализа и синтеза сетей, а на лабораторных занятиях – умения практической реализации задач проектирования и управления сетями связи.

          Теоретической и практической базой являются изученные ранее общеобразовательные  и специальные дисциплины (информатика, программирование, теория распределения информации, автоматическая коммутация, основы сетей и систем телекоммуникаций и т. д.).

 

        Согласно программе, на изучение курса отведено 114 часов, в том числе:

- лекции – 34 час;

- лабораторные занятия – 8 час;

- практические занятия – 8 час;

- самостоятельная работа – 64 час (в том числе 2 расчетно-графические работы).

 

          1.1 Содержание учебного материала

 

          Введение

Предмет и задачи курса. Сеть электросвязи как система.

          1.1.1 Виды и типы сетей

Элементы сети. Структура и архитектура. Прохождение сообщения в сети.

Показатели эффективности.

          1.1.2 Большие системы и методы их моделирования. Свойства больших систем: иерархичность, стохастика, динамичность. СЭС - как большая система. Первичные и вторичные сети.

          1.1.3 Задачи анализа и синтеза

Специфика сетей ЭС как объекта анализа и синтеза.

Схемы задач. Методы анализа.

          1.1.4 Методы оптимизации

Критерии. Безусловная оптимизация. Система ограничений. Математическое программирование. Многокритериальные задачи.

 

 

          1.1.5 Методы синтеза объектов проектирования

Понятие о синтезе, анализ готовых вариантов и формирование вариантов. Последовательный синтез и извлечение варианта из обобщенной структуры. Алгоритмы размещения, трассировки. Маршрутизация.

          1.1.6 Проектирование систем и сетей электросвязи. Сеть ЭС как объект проектирования. Система критериев функционирования сетей. Синтез первичной сети по критерию эффективности. Проектирование вторичных сетей: критерии, ограничения, методы реализации. Нахождение с помощью ЭВМ местоположения станций и узлов на ГТС. Оптимизация структуры межстанционных связей.

          1.1.7 Надежность сетей связи

Показатели элементной и структурной надежности, методы расчета. Основные принципы выбора обобщенных показателей надежности сетей -  критерий сохранения эффективности. Живучесть и самовосстанавливаемость.

          1.1.8 Динамика развития сетей.

 

1.2 Перечень практических работ

 

          1.2.1 Определение кратчайших расстояний.

          1.2.2 Распределение каналов на вторичных сетях.

          1.2.3 Синтез централизованных сетей.

 

1.3 Перечень лабораторных работ

 

          1.3.1 Выбор  оптимального  месторасположения объектов (АТС, распределительных шкафов и т.д.) .

          1.3.2 Решение задачи районирования .

 

1.4 Расчетно-графические работы

 

          1.4.1 Задачи синтеза первичной сети.

          1.4.2 Задача распределения каналов на вторичной некоммутируемой сети.

 

          Список литературы

 

1.Теория сетей связи /Под ред. В.Н.Рогинского/ - М: Радио и связь,1981.-192 с.

2. Давыдов Г.Б., Рогинский В.Н., Толчан А.Я. Сети электросвязи.-М:Связь,

    1977. –360 с.

3. Глушков В. М. Сети ЭВМ. - М: Наука,1977.

4. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. -М: Мир,1989. – 542 с.

5. Норенков И.Г., Трудоножин В.А. Телекоммуникационные технологии и

    сети. – М., 1998.

6. Куин Л, Рассел Р. Fast Ethernet: Описание технологии, вопросы организации

    и      управления, сетевые компоненты. – гуд. Группа BHV, 1998.

7. Лохмотко В. В., Пирогов К.И., Анализ и оптимизация цифровых сетей

    интегрального обслуживания. –Минск: Навука i тэхнiка, 1991.- 191c.

8. Ниеталин Ж.Н., Данилина Г. П. Методические указания к лабораторным

    работам. АИЭС, 1994.

9. Шварц М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование. -М: Радио и связь, 1981.

 

 

 

II МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКИМ РАБОТАМ

 

          Согласно программе студенты должны освоить методы синтеза первичных сетей и решения задач построения плана распределения каналов на вторичных некоммутируемых сетях.

         

          2.1  Расчетно-графическая работа № 1

                       Синтез централизованных сетей

 

Централизованной называется сеть связи, если в ней можно выделить два иерархических уровня:

- терминалы Тi , которые могут подключаться к концентратору или непосредственно к ЭВМ;

- концентраторы Кj, соединяемые с центральной ЭВМ [1].

Местоположение терминалов и их количество известны, так же как и возможные места расположения концентраторов. Определить сеть, соединяющую их и отвечающую определенным экономическим и технологическим требованиям. Рассмотрим возможные постановки задач.

 

           2.1.1 Упрощенный вариант задачи синтеза

Упростим задачу, предположив возможность ее замены совокупностью одноуровневых, т. е. сначала решается задача прикрепления терминалов к концентраторам, а затем – концентраторов к ЭВМ. Иными словами, решим задачу в следующей постановке: задано некоторое множество генераторов (источников) информации Si , i=1,..n, которые должны быть соединены сетью минимальной стоимости с приемником информации So. Допускается соединение Si между собой.

          Заданными являются стоимости Cij соединения Si и Sj,пропускная способность rij, интенсивности источников аi, интенсивность стока

ао= -аi .

Исходные данные задаются в виде таблиц.

Если пропускные способности одинаковы для всех линий (Si , Sj) , то задается число rij =R. Интенсивности источников и стока заданы вектором

A=(a0, a1, a2, …. an).

 

Таблица 1                                                   Таблица 2

                  

Сij

S0

S1

- -

Sn

 

rij

S0

S1

- -

Sn

S1

C10

-

- -

C1n

 

S1

r10

-

- -

r1n

S2

C20

C21

- -

C2n

 

S2

r20

r21

- -

r2n

-

-

-

-

-

-

- -

-

-

 

-

-

-

-

-

-

- -

-

-

Sn

Cn0

Cn1

- -

-

 

Sn

rn0

rn1

- -

-

                    

        Задание к расчетно-графической  работе № 1

 

В приложении А приведены варианты заданий: последняя  цифра номера зачетной книжки определит номер матрицы стоимости, а предпоследняя цифра номера зачетной книжки – вектор интенсивностей (таблица в Приложении Б).

По приведенным исходным данным решить задачу синтеза тремя методами, сравнить полученные результаты.

В зависимости от первой буквы фамилии разработать блок – схему и программу одного из методов:

А,Б,В,Г, О, П – метод Ежи –Вильямса;

Д,Ж,З,И,Р,С,Т – метод Прима;

К,Л,М,Н,У,…., Я – метод Крускала.

 

 

2.1.1.1 Алгоритм решения задачи

 

Для решения сформулированной выше задачи синтеза сетей разработано большое количество эвристических алгоритмов. Рассмотрим три из них, основанных на идее последовательного присоединения источников информации Si    к обрабатывающему центру S0 непосредственно или через другие S j.

Последовательность присоединения Si к сети определяется с помощью специально построенной системы пометок ti,j, индексы которых (i, j) указывают на возможную связь Si с S j. Далее проверяется, удовлетворяет ли связь (i, j) определенным технологическим требованиям и подсчитываются соответствующие затраты. Если технологические ограничения не выполняются, то берется следующая вершина – претендент.

Алгоритм можно представить последовательностью шагов.

Шаг 0. Вычисляется система пометок ti,j. В различных методах эти вычисления проводятся по разным формулам.

Шаг 1. Выбирается наименьшая пометка

min { ti,j} = tk,l,

 

Шаг 2. Проверяется: ak > 0? ( нужно ли передавать информацию?); ak  rk,l?

ak  + al  ≤ rl,0?  (есть ли свободная пропускная способность ?). При выполнении этих условий осуществляется переход к шагу 3, в противном случае следует положить ti,j равным ∞ и возвратиться к шагу 1.

Шаг 3. Производится пересчет показателей, соответствующих передаче информации ak из Sk в Sl.

                         аk=0; аl= al+ak;

                                        rkl=r- аk ;

                                        F1  =F0+ Сkl.

                         tkl= ; tki=; i=2, 3, … n.

Вершины Sk   и Sl соединяются, управление передается шагу 1.

Процесс повторяется до тех пор, пока все ak не станут равными 0.

 

           2.1.1.2 Метод Ежи –Вильямса

 

Система пометок (Шаг 0) вычисляется по формуле tij = Сij – Сi0  для всех

 i,j є N, i≠j.

Параметр выражает разницу стоимости соединения вершины Si с Sj или непосредственно с центром S0. Отрицательная величина говорит о том, что соединение Si с Sj более выгодно, чем Si и S0, и Si соединяется с S0 только если все tij ≥ 0. В этом случае алгоритм дополняется шагом 4.

 

          Шаг 4. Все Sk, для которых ak > 0 соединяются с S0.

          Полагаем:  аkн=0

                             a0но+ аk

                             Fн=Fko

Процесс продолжается до тех пор, пока все аi не станут равны 0.

Проиллюстрируем алгоритм небольшим примером.

 

Пример

Определить сеть минимальной стоимости, соединяющую терминал S1,S2, S3 с ЭВМ S0.

Стоимости линий Cij приведены в таблице 3, пропускные способности всех линий приняты одинаковыми, rij=5.

 

 

Таблица 3                           

а0=-8; а1=2; а2=3; а3=3; r=5.

 

Шаг 0. Подсчитаем множество пометок по формуле: tij= Cij- Cio

 

 

 

S0

S1

S2

S3

S1

1

-

2

4

S2

4

3

-

1

S3

3

1

5

-

                  

          t12= C12- C10=2-1=1

          t13= C13- C10=4-1=3

          t21= C21- C20=3-4=-1;                                                               (1)                                      

          t23= C23- C20=1-4=-3;

          t31= C31- C30=1-3=-2;

t32= C32- C30=5-3=2

Итерация 1.

          Шаг 1. Определяем наименьшую пометку в множестве (1) 

                             { tij}= t23=-3

          Это означает, что нужно проверить возможность соединения вершин S2 и S3 (S2=>S3).

          Шаг 2. Проверяем величину интенсивности в вершине S2

                                                а2=3>0; а2=3<r=5.

                             а23=3+3>r - следовательно соединение S2 => S3 невозможно, полагаем t23= и переходим к выполнению итерации 2.

Итерация 2.

          Шаг 1. Определяем

                              { tij}= t31=-2, что соответствует соединению S3 и S1.

          Шаг 2. а3=3>0; а3+ а1=3+2=5=r; следовательно это соединение возможно.

Шаг 3. Подсчитаем:

-         затраты  F=C31=1;

-          новые интенсивности терминалов S3 и S1

a31=0     а11=2+3=5;

-         пропускную способность

r131=5-3=2.

          Положим t31=.           

 

Переходим к шагу 1 итерации 3.

Итерация 3.

Шаг 1.  { tij}= t21

Шаг 2. Проверим:

          а2=3>0; а2<r=5; а2+ а l1=3+5>r=5, следовательно, это соединение невозможно, положим t21 =  и переходим к итерации 4.

Итерация 4.

Шаг 1.  { tij}= t12>0, значит все tij – положительны, переходим к

шагу 4.

Шаг 4. Определим вершины с положительной интенсивностью и соединим их с S0.

                                а1=5<r10    a111=0    а10=-8+5=-3    F11=F+C10=1+1=2. 

                                а2=3<r20    a12=0     а110=-3+3=0    F111=F11+C20=2+4=6. 

                   а13=0

 

          Следовательно, расчет окончен, оптимальная схема приведена на рисунке 2. Затраты равны 6 ед.

 

 

 

 

 

 


                                                          

               

  

 

 

     2.1.1.3 Метод Прима

 

Алгоритм этого метода отличается от вышеописанного только способом выбора вершины- претендента, т. е. построением множества пометок tij(Шаг 0). Описываемый подход основан на идее выбора вершины, ближайшей к S0 (центральному обрабатывающему устройству) или к вершине Sl, уже соединенной сетью с S0.

Каждой вершине Sj приписывается пометка wj, причем в начале расчетов w0=0, wj=-, т.е. в сеть входит только вершина S0. При введении в сеть следующей вершины Sl полагаем WL = 0.

                                 Шаг 0. Подсчитывается множество Т= { tij}:

                              tij= Cij- wj  для тех вершин, где wj=0.

                            Конечные значения имеют только ti0, равные стоимос-  

                      ти  Ci0  (т. к. w0=0), а все остальные равны . Дальше

         выполняются те же шаги, что и в методе Ежи-

       Вильямса.

      

 

 

 

          Пример

Проиллюстрируем алгоритм, описанный выше, примером. Пусть w0=0, wj=-. С учетом данных таблицы 3 подсчитаем значения tij.

Шаг 0.

Т:  t10= C10- w0=1-0=1

t20= C20- w0=4-0=4

t30= C30- w0=3-0=3                                                                                     

t12= C12- w2=2+ w2=, t13=;

t21= C21-  w1=3+ w1=, t23=;

t31= C31-  w1=1+ w1=; t32=.

Шаг 1. Определим  { tij}

                    { tij}= t10=1

Шаг 2.         а1=2>0; r10=5; a1<r10.

Выполнение условий позволяет перейти к шагу 3.

Шаг 3. Вычислим новые значения:                                                    

          а11=0; a10=-8+2=-6; r110=5-2=3; F=C10=1.                          

Положим w1=0; t10=  и перейдем к шагу 0.                                       

          Шаг 0. Подсчитаем:

Т1: t21= C21-  w1=3- 0=3;

t31= C31-  w1=1- 0=1.

          Шаг 1.         {TUT1}= t31, т. е. S3=>S1.

Шаг 2.         а3=3>0; r31=5>a3; a11+a3=0+3 r10=3.

Шаг 3.  

                                                          a31=0; a011=-6+3=-3.

                                                          r1011=3-3=0.

                                                          r311=5-3=2.

                                                          F1=F+C31=1+1=2

 

 

 

 

Положим  w3=0; t31= и перейдем к шагу 0.

          Шаг 0.

Т2: t2323- w3=1.

          Шаг 1. Определим {TUT1 UT2}= {tij}=t23.

          Шаг 2. а2=3>0; r23=5>a2; r311=2<a2, следовательно соединение S2=>S3 невозможно, положим t23= и перейдем к шагу 1.

          Шаг 1. {TUT1 UT2}= t20=2.

          Шаг 2. а2=3>0; r20=5>а2,

          Шаг 3. а21=0; r201=5-3=2; а0111=-3+3=0

                   F=2+4=6

          Поскольку все аi1=0, задача решена.

 


         

 

 

 

 

                                 

 

 

 

    

 

         

2.1.1.4 Метод Крускала

 

В этом методе система пометок совпадает с множеством стоимостей {Сij}.

 

tij= Сij

Пример.

Шаг 0. tij= Сij

          Шаг 1. Определим { tij }= t10=t23= t31 =1

          Шаг 2. При равных значениях tij рассматриваются все возможные соединения.

а1=2>0; а1 < r, →  соединение S1S0 возможно.

Шаг 3. а′1=0; а′0=-8+2=-6; r10=5-2=3; F=1

          Шаг 1. { tij }= t23=1

Шаг 2. а2=3>0; а2< r23; а2+ а3=6>r=5

                                             Следовательно, соединение невозможно, t23=∞.

 

Шаг 1. { tij }= t31=1   

Шаг 2. a3=3>0; а3+ а′1=3=r10;

Шаг 3. а′3=0     а′′0=-6+3=-3      F′=1+1=2     t31=∞       

 

 

 

 

  

 Шаг 1.  { tij}=  t12

          Шаг 2. a′1 = 0 →  t12 = ∞

     Шаг 1.  { tij}=  t21

        Шаг 2. a2 = 3>0; а2 >r10 =0 , t21 = ∞

                                                    Шаг 1.  { tij}=  t20

Шаг 2. a2 = 3>0;    а2 < r20 =5

Шаг 3. a'2 = 0;        а″0 =-3+3=0       F″= 2+4=6.

Поскольку все аi=0, расчет окончен.

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 


      

2.1.2 Синтез двухуровневой централизованной сети

 

Задание к расчетно-графической работе

 

          Варианты задания даны в Приложении В (номер задания соответствует последней цифре зачетки). Кроме того, все стоимости Cij следует умножать на предпоследнюю цифру номера зачетной книжки.

а) Решить задачу синтеза вручную. Результат представить в виде рисунка оптимальной схемы соединения терминалов с ЭВМ и соответствующей этой схеме стоимости.

б) Разработать и описать блок- схему алгоритма.

 

          Рассмотрим алгоритм синтеза двухуровневой сети, включающей заданное число терминалов Ti, i=1,..n, некоторое допустимое множество концентраторов Kj (j=1,..m), места расположения которых известны, а количество должно быть выбрано в результате решения задачи. Центральное обрабатывающее устройство (ЭВМ) обозначим К0. Заданы стоимости создания концентраторов fj и количество терминалов, которые можно подключить к каждому концентратору, rj.Если к концентратору подключен хотя бы один терминал, то он называется открытым, в противном случае – закрытым.

           Каждый терминал может быть подключен к ЭВМ или любому концентратору, но только одному. Задача состоит в построении сети минимальной стоимости, учитывающей все описанные технологические ограничения.

             Итак, заданными являются:

- множества терминалов Тi и концентраторов Kj (i=1,..n; j=1,2,…m), ЭВМ – К0;

- стоимости линий связи, заданные матрицей стоимости С=ççСijçç, i=1,..n; j=0,1,…m;

- стоимости создания концентраторов f1,f2,…fm;

- количество возможного подключения терминалов rj.

Определить:

- количество открытых концентраторов;

- схему подключения к ним терминалов;

- стоимость сети.

Для реализации этой задачи разработано большое число методов, рассмотрим алгоритм одного из них.

 

          Алгоритм метода добавления

 

Алгоритм представляет собой итерационный процесс последовательного

уменьшения целевой функции за счет открытия дополнительных концентраторов и рационального прикрепления к ним терминалов.

          Шаг 0. Первоначально считаем, что все концентраторы закрыты, а терминалы присоединены к ЭВМ - к К0. Затраты на создание такой сети равны сумме соединения терминалов с ЭВМ, т. е. сумме элементов столбца, соответствующего К0, т. е.

F0=Сi0.

          Очевидно, что это самое дорогое решение.

Итерация 1.

Действия этой итерации оценивают решения открытия одного концентратора (сначала К1, затем К2, …), при этом к нему должны быть присоединены те терминалы, для которых такое присоединение даст наибольший эффект, который возникает за счет уменьшения стоимости линий связи. Итерация состоит из числа шагов, равного числу концентраторов.

          Шаг 1. Откроем К1. Эффект от изменения присоединения Si к К1 вместо К0 определим по формуле:

Сi0- Ci1.                                                                 (*)

          Очевидно, что присоединить к К1 целесообразно только те Si, для которых подсчитанные разности (*) будут положительными. Однако число таких присоединяемых Si ограниченно r1. Подсчитаем эффект, учитывая затраты f1 на создание концентратора К1.

F11=F0- (Ci0-Ci1)- … (Cj0-Cj1) +f1.

(включены только (Ci0-Ci1)>0, число их меньше r1).

Аналогичных шагов будет m (по числу концентраторов).

          Шаг (m+1). Определяются наименьшие затраты:

{F11, F21, … Fm1}= Fj1

Следовательно, откроем концентратор Кj, присоединив к нему {Sg, Sl, … Sк}.

Итерация 2.

 Считая открытым концентратор Kj, будем открывать по очереди еще по одному концентратору.

          Шаг 1. Откроем К1при открытом Kj,оценим:

(Ci0-Ci1) для i, не присоединенных к Kj;                                               (**)

(Cgj-Cg1) для g, l, … k, т. е. для тех S1, которые присоединены к Kj.

          Выбираются r1 наибольших разностей (**) и подсчитываются затраты:

F1,j2=Fj- (Cgx-Cg1)+f1.

Шагов будет m-1 (по числу закрытых еще концентраторов).

          Шаг m. Определяется наименьшее значение функции:

min {Fj12, Fj22, … Fjm2}, jm.

Итерация 3.

Анализируется возможность открытия третьего концентратора при уже открытых двух.

Последняя итерация состоит в открытии всех концентраторов одновременно. Проиллюстрируем описанный алгоритм примером.

          Пример

Пусть задано 5 терминалов и 3 концентратора, к каждому из которых можно присоединить по 2 терминала. В таблице 4 приведена матрица затрат.

 

Таблица 4

                                      

 

K0

K1

K2

K3

T1

8

4

6

6

T2

10

5

3

8

T3

3

4

0

7

T4

4

12

6

1

T5

12

10

8

0

f1=4; f2=3; f3=2; r=2

 

Шаг 0. Присоединим все терминалы к ЭВМ

(рисунок 10) и подсчитаем затраты:

           F0=Сi0=8+10+3+4+12=37.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                  

 

Итерация 1.

Шаг 1. Откроем К1.

C10- C11=8-4=4

C20- C21=10-5=5

C30- C31=3-4=-1

C40- C41=4-12=-8

C50- C51=12-10=2

Выберем две наибольших разности и подсчитаем новое значение функции стоимости:

F11=37-(C10-C11)-(C20-C21)+f1=37-4-5+4=32.

T1, T2=>K1.

Шаг 2. Откроем К2:

C10- C12=8-6=2

C20- C22=10-3=7

C30- C32=3-0=3                                                                                       

C40- C42=4-6=-2

C50- C52=12-8=4

Выберем две наибольшие разности, соответствующие варианту прикрепления Т2 и Т5 к К2.

F21=37-(C20-C22)-(C50-C52)+f2=37-7-4+3=29.

T2, T5=>K2.

Шаг 3. Откроем концентратор К3:

C10- C13=8-6=2

C20- C23=10-8=2

C30- C33=3-7=-4   

C40- C43=4-1=3

C50- C53=12-0=12

F31=37-(C40-C43)-(C50-C53)+f3=37-3-12+2=24.

T4, T5=>K3.

Шаг 4. Выберем наилучший вариант прикрепления:

{F1, F2, F3}= {32,29,24}=24,

что соответствует T4, T5=>K3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итерация 2.

Шаг 1. При открытом К3 откроем К1: подсчитаем Ci0-Ci1 для i=1,2,3;  Ci3-Ci1 для i=4,5.

C10- Ci1=8-4=4                                   C43- C41=1-12=-11

C20- C21=10-5=5                                C53- C51=0-10=-10

C30- C31=3-4=-1

F3,12=24-(C10-C11)-(C20-C21)+f1=24-4-5+4=19.

T1, T2=>K1.

Шаг 2. При открытом К3 откроем К2: подсчитаем Ci0-Ci2 для i=1,2,3;  Ci3-Ci2 для i=4,5.

C10- Ci2=8-6=2                                   C43- C42=1-6=-5

C20- C22=10-3=7                                 C53- C52=0-8=-8

C30- C32=3-0=3

F3,22=F31-(C20-C22)-(C30-C32)+f2=24-7-3+3=17.

T2, T3=>K2.

          Шаг 4.

{F312, F322}= {19,17}=17, T2, T3=>K2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Итерация 3.

Откроем концентратор К1 при открытых К2 и К3. Подсчитаем целесообразность подсоединения к нему всех терминалов:

C10- C11=8-4=4

C22- C21=3-5=-2

C32- C31=0-4=-4         

C43- C41=1-12=-11

C53- C51=0-10=-10

Положительная разность только одна:

F33,2,1=F23,2=(C10-C11)+f1=17-4+4=17.

Поскольку открытие К1 не уменьшит целевую функцию в качестве оптимального можно принять любой вариант сети- при открытых концентраторах К2 и  К3 (рисунок 12) или открытых всех трех концентраторах (рисунок 13), F3,2,13=17.

 

                                                                                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Расчетно-графическая работа № 2

Распределение каналов на вторичной некоммутируемой сети

 

 

          Задание к расчетно-графической работе

 

В приложении Г приведены варианты графов первичной сети. Номер задания определяется последней цифрой номера зачетной книжки, а предпоследняя цифра определит номер строки в Приложении Д, содержащей значения емкости ветвей.

Необходимо:

а) построить матрицу емкостей для выбранного варианта;

б) записать экономико-математическую модель (2)-(5);

в) построить соответствующую таблицу;

г) решить задачу по минимуму числа каналов;

д) в случае невозможности построить бездифицитную сеть,

    преобразовать ее к виду, требующему минимума модернизации.

 

2.2.1 Постановка задачи

 

Структура первичной сети изображается в виде графа G=(Х,У), где Х – множество пунктов сети, U – множество соединяющих их линий. Каждой линии приписывается некоторый вес (длина, стоимость) lij и пропускная способность (емкость) в числе каналов bij, (ij) Є U.

Задача заключается в построении между некоторыми пунктами сети i и j определенного количества каналов Yij, прямых или скроссированных.

Обозначим через Мij множество возможных путей между вершинами i и j

и множество всех путей

Через  Хlij обозначим число каналов, выделенное на пути  для обслуживания нагрузки Yij.

Распределение каналов должно обеспечить:

-         минимальное число каналов

 

,

где rlij – ранг пути   ;                                    (2)

-         минимальную длину каналов

- дуга графа,                         

где  (ik) – дуга графа;                                      (3)

- минимальную стоимость каналов    

 

.                                              (3)

Обычно достаточно решить задачу по одному из критериев (2-3)

Flij) → min

При этом необходимо выполнение следующих ограничений:

-         число каналов, выделенное для соединения i и j по всем путям  Mij не должно быть меньше заданного тяготения

 

;                                            (4)

-         число каналов разных путей, проходящих через  любую (g,k) ветвь сети, не должно превышать ее емкости

 

;                   (5)

-         иногда накладывается дополнительное ограничение на число транзитных участков, т.е.

rijlN ,                                                                (6)

 

где rijl – ранг пути μl между i  и  j.

Описанная модель представляет собой целочисленную задачу линейного программирования. Построить ее точное решение весьма сложно, но существуют достаточно простые и наглядные методы приближенных решений. Рассмотрим один из них на конкретном примере.

Пример.

Пусть задана сеть, изображенная на рисунке 14, состоящая из 6 вершин и 8 ребер. Емкость каждого ребра bij = 20 каналам. Необходимо построить план распределения каналов при котором: емкость пучка между вершинами 1 и 3 равнялась 18, между вершинами 3 и 6-16, 2 и 4 –15, 5 и 6 –16 каналам, т.е Y13 = =18; Y36 = 16; Y24 = 15; Y56 = 16; при этом число транзитных   участков в каждом пути не должно превышать трех.

                           Построим экономико-математическую 

                модель для рассматриваемой задачи. Переменными являются количества каналов выделяемых в пути μl между пунктами i и j, т.е.

 Хlij. Построить множество путей, соединяющих

               вершины с заданным тяготением.

                   M13 : µ131 = {1-5; 5-3}, r131=2, число каналов,

                    выделенных для обеспечения тяготения

                                                  Y13  ~   Х131 обозначим х153

 

        

         µ132 = {1-2; 2-3},  r132=2,  Х 213  ~  х123

         µ132 = {1-4; 4-3},  r133=2,  Х 313  ~  х143

M36 : µ361 = {3-2; 2-6},  r361=2,  Х 136  ~  х326

             µ361 = {3-4; 4-6},  r362=2,  Х 236  ~  х346

              

M24 : µ241 = {2-1; 1-4},  r241=2,  Х 124  ~  х214

         µ242 = {2-3; 3-4},  r242=2,  Х 224  ~  х234

         µ243 = {2-6; 6-4},  r23=2,   Х 324  ~  х264

 

M56 : µ561 = {5-1; 1-2; 2-6},  r561=3,  Х 156  ~  х5126

         µ562 = {5-1; 1-4; 4-6},  r562=3,  Х 256  ~  х5146

         µ563 = {5-3; 3-2; 2-6},  r563=3,  Х 356  ~  х5326

         µ564 = {5-3; 3-4; 4-6},  r564=3,  Х 456  ~  х5346

Если принять в качестве целевой функции количество каналов, необходимое для удовлетворения всех требований, т.е функцию(2), то

F(Xij) = 2x153+2x123+2x143+2x326+2x346+2x214+2x234+2x264+3x5126+3x5146+3x5326+

+3x5342min

Запишем ограничения.

 

 

 

x153+ x123+ x143 ≥ 18

x326+ x346 ≥ 16                                                                                             (4)

x214+ x234+ x264 ≥ 15

x5126+ x5146+ x5326+ x5342 ≥ 16

 

x153+ x5126+ x5146 ≤ 20;                      x153+ x5326+ x5346 ≤ 20;

x123+ x214+ x5126 ≤ 20;                       x123+ x326+ x234+ x5326 ≤ 20;               (5)

x143+ x214+ x5146 ≤ 20;                       x143+ x346+ x234+ x5346 ≤ 20;

x326+ x264+ x5126+ x5326≤ 20;              x346+ x264+ x5146+ x5346 ≤ 20;

 

Ограничение (6) на число транзитных участков в пути было выполнено при построении множества допустимых путей. Опишем один  из приближенных, но очень наглядных методов реализации этой модели.

 

 

2.2.2 Алгоритм

 

Шаг 1. Для каждой пары вершин (i j), для которой необходимо построить пучок прямых каналов, строится множество путей, и выбираются те из них, чей ранг удовлетворяет ограничению.

Шаг 2. Требуемое количество каналов Yij делится поровну между путями.

Шаги 1 –2 выполняются для всех пар (i j) и соответствуют выполнению условий (4).

Шаг 3.Строится матрица емкостей допустимых путей, представляющая собой таблицу, строки которой соответствуют путям mi, k, а столбцы-ребрам графа. На пересечении строки mi, … k и столбца (i j) записывается число каналов х этого ребра, выделенных для данного пути, т. е.

xi lm i, … k

          Сумма элементов каждого столбца показывает количество каналов этого ребра. Этот план распределения каналов построен без учета ограничений на количество каналов (ограничения 5) и называется идеальным.

          Шаг 4. Проверяются выполнения ограничений на каждом ребре. Если они выполняются, задача решена, переход к шагу 6 – конец решения. В противном случае – к шагу 5.

          Таблица 5

 

 

Yij

Емкость

пути

Ребра

Число

каналов

1-2

1-4

1-5

2-3

2-6

3-4

3-5

4-6

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

 

Y13

Х1,2,3

6/3

 

 

6/3

 

 

 

 

12

6

Х1,4,3

 

6/3

 

 

 

6/3

 

 

12

6

 

Х1,5,3

 

 

6/9/12

 

 

 

6/9/12

 

12

24

Y36

Х3,2,6

 

 

 

8

8

 

 

 

16

16

Продолжение таблицы 5

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

 

Х3,4,6

 

 

 

 

 

8

 

8

16

16

Y24

Х2,3,4

 

 

 

5

 

5

 

 

10

10

Х2,1,4

5/6

5/6

 

 

 

 

 

 

10

12

Х2,6,4

 

 

 

 

5/4

 

 

5/4

10

8

Y56

Х5,1,2,6

4

 

4

 

4

 

 

 

12

12

Х5,1,4,6

 

4

4

 

 

 

 

4

12

12

Х5,3,2,6

 

 

 

4

4

 

4

 

12

12

Х5,3,4,6

 

 

 

 

 

4

4

4

12

12

 

DХij

+5

+5

+6

-3

-1

-3

+6

-1

 

 

 

DХ2ij

+8

+5

+3

0

-1

-3

+3

-1

 

 

 

DХ3ij

+7

+4

+3

0

0

-3

+3

0

 

 

 

DХ4ij

7

7

0

0

0

0

0

0

 

 

 

          Шаг 5. Для перенасыщенных ребер производится разгрузка (если возможно) и переход к шагу 4. Если разгрузить некоторые ребра невозможно – переход к шагу 7.

 

          Шаг 6. Выдается план распределения каналов.

 

          Шаг 7. Решение невозможно из–за недостаточной емкости сети.

Проиллюстрируем выполнение алгоритма описанным примером.

 

          Шаг 1. Построим множества путей ранга  3.

m131={1,2,3}; m132={1,5,3}; m133={1,4,3};

m361={3,2,6}; m362={3,4,6};

m241={2,3,4}; m242={2,1,4}; m243={2,6,4};

m561={5,1,2,6}; m562={5,1,4,6}; m563={5,3,2,6}; m564={5,3,4,6};

 

Шаг 2. Количество каналов делится поровну на все пути:

x123=x153=x143=18/3=6; x326=x346=16/2=8; x234=x214=x264=15/3=5;

 

Шаг 3. Построим матрицу емкости (Таблица  5).

Столбцы матрицы соответствуют ребрам заданной сети: (1- 2), (1- 4), (1- 5), (2- 3) … , а строки-путям  mi, jk: в I строке в столбцах (1- 2) и (2- 3) записано число каналов, равное 6, во II строке – в столбцах (1- 4) и (3- 4) и т. д.

 

          Шаг 4. Просуммируем количество каналов в каждом столбце и, учитывая, что емкость каждого ребра равна 20, проверим условие:

 xi-j  20,

где М – множество всех допустимых путей, проходящих через ребро (i-j).

Подсчитаем:

Dx=20-x i-j

и запишем в çМç+1 строку. Отрицательная величина Dx говорит о недопустимости анализируемого плана распределения каналов и необходимости его корректировки. Например, в столбце, соответствующем ребру (1-2) число каналов равно:

6+5+4=15

и в строке Dx поставим:

20-15=5,

а в столбце (2-3):

6+8+=5+4=23

Dx1=20-23=-3.

Следовательно, ребро (2-3) перегружено.

Последние столбцы фиксируют число каналов в каждой строке после каждого распределения.

          Дальнейшие действия – последовательно переместить каналы с перегруженного пути – на недогруженный путь того же потока (шаг 5).

 

          Шаг 5(I). Снимем лишнюю нагрузку (3 канала) с ребра (2-3), входящего в путь m1,2,3 , и следовательно, со всех ребер этого пути (в матрице зачеркнули цифры 6 и записали 3). Добавим эти каналы (3) к недогруженным ребрам пути этого же пучка Y13 , т. е. к каналам ребер (1-5) и (3-5).

 

          Шаг 4(II). Подсчитаем элементы строки Dx2. Отрицательными являются Dx2-62 и Dx4-62.

 

          Шаг 5(II). Уменьшим на 1 количество каналов в пути m2,4,6 , добавив в пути m2,1,4 (на ребрах (1-2) и (1-4)).

 

          Шаг 4(III). Подсчитав Dx3, видим, что перегружено только ребро(3-4).

 

          Шаг 5(III). Уменьшив количество каналов в пути m1,4,3 , увеличим в m1,5,3

 

          Шаг 4(IV). Проверка показала, что перегруженных ребер нет, следовательно, план допустим.

Если на каждом шаге вести контроль количества каналов, то можно построить экстремальное решение, но для этого не нужно ограничивать ранг допустимых путей.

          Шаг 6. Решение окончено: построен план распределения каналов, удовлетворяющий заданным условиям.

          В том случае, если получить сеть без перегруженных ребер не удается, необходимо так перераспределить потоки, чтобы число перегруженных ребер было минимально для того, чтобы реконструировав их, получить сбалансированную сеть.

 

 

 

Список литературы

 

1. Шварц М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование. – М: Радио и связь, 1981.

2. Глушков В. М. Сети ЭВМ. – М: Наука, 1977.

3. Теория сетей связи / Под ред. В.Н.Рогинского/ -М: Радио и связь, 1981.

4. Основы построения сетей и систем электросвязи: Методические указания и

     контрольное задание / Сост. А.П.Пшеничников,     Г.Л. Слепова / -М: НИС,

    1991.

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ   А

№ 0.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

a0

S1

7

-

2

9

11

4

a1

S2

11

7

-

7

13

10

a2

S3

10

13

 

-

 

 

a3

S4

4

6

 

 

-

 

a4

S5

5

10

 

 

 

-

a5

 

 

№ 2.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

a0

S1

6

-

7

9

3

4

a1

S2

4

7

-

11

4

6

a2

S3

8

9

11

-

5

10

a3

S4

9

3

4

5

-

7

a4

S5

11

4

6

10

8

-

a5

 

№ 4.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

a0

S1

4

-

6

2

5

7

a1

S2

2

6

-

4

7

1

a2

S3

5

2

4

-

2

5

a3

S4

7

5

7

2

-

3

a4

S5

6

7

1

5

3

-

a5

 

№ 6.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

a0

S1

3

-

5

6

2

1

a1

S2

5

5

-

7

4

8

a2

S3

10

6

7

-

3

10

a3

S4

11

2

4

3

-

13

a4

S5

13

1

8

10

13

-

a5

 

№ 8.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

a0

S1

4

-

3

6

5

7

a1

S2

5

3

-

2

4

8

a2

S3

3

6

2

-

5

3

a3

S4

6

5

4

3

-

6

a4

S5

7

7

8

5

6

-

a5

 

 

 

 

 

№ 1.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

а0

S1

4

-

6

5

3

1

a1

S2

5

6

-

7

4

2

a2

S3

7

5

7

-

3

5

a3

S4

6

3

4

3

-

8

a4

S5

3

1

2

5

8

-

a5

 

№ 3.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

a0

S1

7

-

3

5

8

10

a1

S2

9

3

-

6

7

9

a2

S3

3

5

6

-

2

4

a3

S4

4

8

7

2

-

 

a4

S5

6

10

9

4

 

-

a5

 

№ 5.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

a0

S1

4

-

6

2

4

3

a1

S2

8

6

-

5

9

10

a2

S3

3

2

5

-

7

6

a3

S4

2

4

9

7

-

4

a4

S5

5

3

10

6

4

-

a5

 

№ 7.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

a0

S1

5

-

11

2

3

6

a1

S2

3

11

-

5

1

4

a2

S3

8

2

5

-

3

2

a3

S4

12

3

1

3

-

4

a4

S5

10

6

4

2

1

-

a5

                  

№ 9.

 

S0

S1

S2

S3

S4

S5

a0

S1

4

-

11

2

13

5

a1

S2

5

11

-

4

2

8

a2

S3

7

2

4

-

6

9

a3

S4

3

13

2

6

-

5

a4

S5

6

5

8

9

5

-

a5

                  

 

 

 

 

                                            ПРИЛОЖЕНИЕ Б

 

 

а0

а1

а2

а3

а4

а5

а6

0

-15

4

2

3

2

4

7

1

-19

3

5

6

3

2

6

2

-18

2

4

2

5

5

6

3

-16

4

3

2

5

2

7

4

-23

5

3

4

5

6

8

5

-22

4

8

2

6

2

8

6

-21

7

3

5

2

4

7

7

-18

4

5

3

2

4

8

8

-20

1

4

7

3

5

7

9

-24

3

7

5

4

5

9

         

                                           ПРИЛОЖЕНИЕ В

 

№ 1.

 

K0

K1

K2

K3

T1

7

4

6

9

T2

5

2

0

8

T3

2

4

6

5

T4

1

4

2

10

T5

8

0

4

12

T6

7

5

9

0

T7

10

6

11

4

r=3; f1=4; f2=2; f3=5.

 

  № 2.

 

K0

K1

K2

K3

K4

T1

7

8

0

6

4

T2

4

5

2

5

3

T3

3

7

12

3

6

T4

12

7

9

0

10

T5

4

5

7

3

2

T6

7

0

5

4

13

T7

10

5

10

11

15

r=2; f1=1; f2=5; f3=4; f4=2.

 

 

 

 

 

 

№ 3.                                                               

 

K0

K1

K2

K3

T1

7

4

5

3

T2

5

4

7

9

T3

12

0

11

0

T4

10

4

5

7

T5

14

8

6

9

T6

8

3

2

4

r=3; f1=5; f2=6; f3=4.

 

 

№ 4.

 

K0

K1

K2

K3

K4

T1

5

7

3

0

4

T2

6

7

4

2

8

T3

8

5

0

10

11

T4

10

8

9

13

15

T5

15

11

8

12

0

T6

8

3

4

5

6

r=3; f1=4; f2=5; f3=6; f4=2.

 

 

Продолжение Приложения В

 

№ 5.

 

K0

K1

K2

K3

T1

4

0

3

5

T2

3

4

2

1

T3

2

4

0

6

T4

3

2

4

5

T5

5

6

3

0

r=2; f1=2; f2=3; f3=2.

 

 

№ 6.

 

K0

K1

K2

K3

T1

4

2

5

3

T2

2

5

3

0

T3

5

8

0

7

T4

7

4

4

2

T5

3

4

5

1

r=2; f1=6; f2=2; f3=3.

 

 

№ 7.

 

K0

K1

K2

K3

T1

4

0

2

3

T2

8

5

4

10

T3

7

4

8

2

T4

4

5

2

0

T5

8

4

2

5

T6

9

7

4

3

r=3; f1=f2=4; f3=2.

 

 

№ 8.

 

K0

K1

K2

K3

K4

T1

4

0

2

2

3

T2

8

5

6

4

10

T3

7

4

3

1

2

T4

4

5

11

2

0

T5

3

4

9

2

5

T6

9

7

10

4

3

r=2; f1=3; f2=2; f3=3.

 

№ 9.

 

K0

K1

K2

K3

T1

4

0

2

3

T2

8

5

4

10

T3

5

4

7

9

T4

7

4

1

2

T5

14

8

6

9

T6

3

4

2

5

r=2; f1=f2=f3=2.

 

№ 10.

 

K0

K1

K2

K3

T1

4

0

3

5

T2

3

4

2

1

T3

2

4

0

6

T4

3

2

4

5

T5

5

6

3

2

T6

8

3

2

4

r=3; f1=2; f2=4; f3=5.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ  Г

 

Структура сети

Yij

Структура сети

Yij

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y13 =20

Y26 =20

Y43 =24

 

 

 

 

1

 

 

Y14 =10

Y26 =15

Y45 =10

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y14 =10

Y15 =15

Y26 =12

Y36 =22

 

3

 

 

 

Y25 =31

Y26 =44

Y43 =30

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y14 =24

Y16 =28

Y53 =50

5

 

 

Y14 =24

Y25 =31

Y36 =22

Y53 =48

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y24 =24

Y36 =12

Y53 =40

7

 

 

Y26 =24

Y15 =28

Y53 =48

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y14 =24

Y26 =21

Y15 =34

9

 

 

Y14 =24

Y26 =21

Y15 =34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           ПРИЛОЖЕНИЕ   Д

 

 

a

b

c

d

e

m

n

g

x

y

1

30

18

26

36

35

20

45

22

50

27

2

28

42

32

48

31

20

47

25

25

40

3

40

42

45

50

40

20

25

24

40

31

4

50

45

35

45

26

40

27

30

40

21

5

40

30

29

28

30

35

30

13

25

15

6

25

22

38

17

34

25

50

9

31

18

7

30

40

20

20

40

20

24

27

14

30

8

16

18

15

30

22

30

25

28

17

10

9

40

30

18

16

24

25

20

25

24

28

10

30

40

15

24

18

20

16

40

8

16

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

I  ПРОГРАММА  КУРСА ……………………………………………

3

 Введение ……………………………………………………………...

3

    1.1 Содержание  учебного  материала…………………………….

3

    1.2 Перечень практических работ…………………………………

4

    1.3 Перечень лабораторных работ………………………………...

4

    1.4 Расчетно-графические работы…………………………………

4

Список литературы……………………………………………………

4

 

 

 

 

 

 

II  МЕТОДИЧЕСКИЕ  УКАЗАНИЯ К РАСЧЕТНО-

     ГРАФИЧЕСКИМ РАБОТАМ……………………………………..

 

5

2.1 Расчетно-графическая работа №1

 

      Синтез централизованных сетей ...………………………………

5

      2.1.1 Упрощенный вариант задачи синтеза……………………...

5

      2.1.2 Синтез двухуровневой централизованной сети…………...

12

2.2 Расчетно-графическая работа № 2  

 

      Распределение каналов на вторичной некоммутируемой сети...

17

      2.2.1 Постановка задачи………………………………………….

17

      2.2.2 Алгоритм…………………………………………………….

20

Список литературы……………………………………………………

23

ПРИЛОЖЕНИЕ  А……………………………………………………

24

ПРИЛОЖЕНИЕ  Б…………………………………………………….

25

ПРИЛОЖЕНИЕ  В…………………………………………………….

25

ПРИЛОЖЕНИЕ  Г…………………………………………………….

27

ПРИЛОЖЕНИЕ  Д…………………………………………………….

28

 

                                                                                       Сводный план 2001, поз.64

 

 

Галина Петровна Данилина

 

 

 

Сети электросвязи

 

 

Программа, методические указания и задания к расчетно-графическим работам для  студентов специальностей 380140, 380240

 

 

Редактор В. В. Шилина

 

 

Подписано в печать                                                      Формат 60´84. 1/16.

Тираж  70  экз.                                                              Бумага типографическая Типографическая № 1.

Объем   1,9   уч.- изд. л.                                                          Заказ______Цена 60 тг. 

 

 

Ротапринт Алматинского института энергетики и связи  

480013, Алматы, Байтурсынова, 126.