Некоммерческого акционерного общества

Алматинский институт энергетики и связи

Кафедра автоматической электросвязи

 

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ И СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Конспект лекций для студентов всех форм обучения

специальности 050719- Радиотехника,

электроника и телекоммуникации

 СОСТАВИЛА: Г.П. Данилина. Основы построения сетей и систем телекоммуникаций. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.- Алматы: АИЭС, 2007.-47 с.

Конспект лекций содержит сведения об истории и перспективах развития телекоммуникационных сетей, их строении, методах анализа и синтеза, а также математическую основу- элементы теории графов.

  

 1 Лекция 1. История и перспективы развития средств связи [1,6]

 Цель: ознакомить студентов с историей создания, развития и перспективами электросвязи.

Содержание:

− история и перспективы развития средств связи;

− современные тенденции развития;

− основные понятия электросвязи.

 История развития человеческой цивилизации – это история развития средств общения – от жестов и наскальных рисунков до создания телекоммуникационных сетей, обеспечивающих передачу, прием, обработку, распределение и хранение различной информации.

Под информацией понимается совокупность сведений о событиях, явлениях, процессах, понятиях и фактах, предметах и лицах независимо от формы представления.

Понятию «информация» близко по смыслу понятие «сообщение». Сообщение – это форма представления информации, удобная для передачи на расстояние.

Способы передачи развивались вместе с развитием общества и получили бурное развитие с освоением электричества:

-       1832 г. выдающийся русский ученый П.Л. Шиллинг изобрел электромагнитный телеграф;

-       1841 г. русский академик Б.С. Якоби ввел в эксплуатацию линию, оборудованную пишущим телеграфом, и соединившую Зимний дворец с главным штабом.

Первая телеграфная линия в США начала действовать в 1844 г. (Вашингтон – Балтимор, 63 км). Этому предшествовало создание специальной азбуки американским ученым С. Морзе, которая носит его имя и применяется до сих пор;

-       1850 г. Б.С. Якоби сконструировал первый буквопечатающий аппарат, усовершенствованный в 1874 г. французом Ж. Бодо;

-       1866 г. осуществлена прокладка кабеля через Атлантический океан;

-       1876 г. американский изобретатель А.Г. Белл запатентовал устройство для передачи речи по проводам – телефон;

-       1895 г., 7 мая состоялась демонстрация передачи электромагнитных сигналов без проводов – А.С. Попов изобрел радио;

-       1922 г. построена первая радиовещательная станция в г. Москва;

-       1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией построена радиолиния на ультракоротких волнах – радиорелейная линия;

-       1957 г. первые сигналы со спутника – ИСЗ.

  

Современные тенденции развития электросвязи

          Глобализация связи и ее персонализация (т.е. доведение услуг связи до каждого пользователя, где бы он ни находился) – вот две взаимосвязанные проблемы, успешно решаемые на данном этапе развития электросвязи. Для их решения необходимы:

-       высокие скорости передачи информации;

-       интеллектуализация сетей;

-       мобильность.

 Сообщения и сигналы

          Информационный обмен в обществе – это объективная необходимость существования общества, при этом подразумевается, что имеется источник информации, потребитель (получатель) и средства ее передачи. Для увеличения объема передаваемой информации и дальности передачи используются специальные технические средства – средства связи.

         Любое сообщение имеет параметр, в изменении которого «заложена» информация, содержащаяся в сообщении. Все звуковые сообщения представляют собой сочетания звуковых колебаний, создающих в воздухе переменное звуковое давление. Звуковое давление – основная количественная характеристика звука. Мгновенное значение звукового давления – это и есть информационный параметр звукового сообщения. Этот параметр может принимать любое значение, т.е. имеет непрерывный характер. Текстовые и цифровые сообщения составляются из определенного, конечного набора знаков – букв и цифр, и имеют дискретный характер.

         Физический процесс, отображающий передаваемое сообщение, называется сигналом.

         Отображение сообщения обеспечивается с помощью электромагнитных сигналов. Электрические сигналы, так же как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра, часто этот параметр принимает всего 2 значения.

 

Рисунок 1.1: а) дискретный сигнал; б) аналоговый сигнал

 Отличие непрерывного сигнала заключается в том, что параметр с течением времени может принимать любые значения в определенных пределах. Непрерывный сигнал часто называют аналоговым. Его можно представить как некоторую функцию времени.

Наиболее простым является сигнал, изменяющийся по закону синуса, называемый синусоидальным (или гармоническим). Он характеризуется наличием периода повторения значений сигнала. Например

S(t) = S sin ωt

где S – амплитуда;

ω – угловая частота колебаний.

Реальные сигналы электросвязи сложны, но любой из них можно представить совокупностью ряда гармонических составляющих.

Совокупность составляющих, соответствующих одному сигналу, принято называть спектром этого сигнала. Интервал частот, охватывающий все составляющие сигнала, называют шириной спектра сигнала. Чем сильнее форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше составляющих содержит его спектр и тем он шире.

2 Лекция 2. Системы электросвязи [1,2]

 Цель: изучить построение систем связи, их виды.

Содержание:

− система электросвязи и ее элементы;

− способы преобразования сообщения в сигнал;

− виды электросвязи;

− классификация систем электросвязи;

− система телефонной связи;

− система факсимильной связи.

         Переносчиком сообщений в электросвязи является электрический сигнал, способный распространяться в различных средах – по металлическим проводам, оптоволоконным линиям, в открытом пространстве (радио- и радиорелейная связь, космическая связь).

         Сообщение, создаваемое источником (ИС), преобразуется в электрический сигнал, который будет преодолевать пространство. На месте приема полученный сигнал преобразуется в сообщение, выдаваемое получателю (ПC). Для выполнения этих операций необходимы специальные технические устройства, которые в совокупности со средой распространения образуют «систему электросвязи».

         Система электросвязи состоит из 3-х основных частей:

-       преобразователь сообщения в сигнал – передатчик;

-       преобразователь сигнала в сообщение – приемник;

-       канал связи.

Источник сообщения и получатель, как правило, люди, но могут быть различные датчики, автоматические устройства и ЭВМ.

Канал связи – это совокупность технических устройств преобразования первичного сигнала во вторичный и наоборот, и среды распространения.

Рисунок 2.1 –  Структурная схема электросвязи

Способы преобразования сообщения в сигнал

          Преобразующие устройства имеют различные принципы действия, но основными являются приборы, осуществляющие преобразования:

-       прямое (непосредственное);

-       условное.

         При прямом преобразовании информационные параметры сообщения и сигнала изменяются по одним и тем же законам.

         При условном преобразовании связь между параметрами сообщения и сигнала – условная, применяются коды (например, азбука Морзе). Коды используются для преобразования в сигнал дискретных сообщений.

Виды электросвязи

          Существует несколько видов электросвязи:

-       телефонная;

-       телеграфная;

-       факсимильная;

-       видеотелефон;

-       звуковое вещание;

-       телевизионное вещание;

-       передача газет;

-       передача данных.

Все виды электросвязи условно разделены на 4 группы:

-       две группы предназначены для передачи оптических сообщений (неподвижные и подвижные изображения);

-       для передачи звуковых сообщений;

-       для передачи данных (сообщений между ЭВМ).

Виды связи могут быть объединены в группы и по другим признакам: виду передаваемого сигнала (аналоговый или дискретный); способу использования (индивидуального или массового назначения) и др.

Перечисленные виды электросвязи описывают далеко не полную область ее применения, некоторые мы будем рассматривать в виде докладов на семинарах.

Система телефонной связи

          Эта система предназначена для передачи на расстояния звуковых (акустических) сообщений. В качестве передатчиков используются устройства, преобразующие звуковое давление в электрический сигнал – микрофон. В настоящее время чаще всего применяются угольные микрофоны, представляющие собой пару электродов, разделенных угольным порошком. Один из электродов подвижен (мембрана), колеблется при изменении звукового давления, и передает давление угольному порошку, что изменяет его электрические характеристики – сопротивление. В результате по цепи будет протекать электрический ток – сигнал, параметры которого будут изменяться аналогично изменению параметров звукового давления.

         Приемник в системе телефонной связи выполняет обратное преобразование – электрических сигналов в звуковые колебания. Устройство, выполняющее это преобразование, называется телефоном. В телефоне имеется электромагнит, состоящий из сердечника с обмоткой и подвижный элемент – металлическая мембрана. На обмотку подается сигнал, под влиянием которого создается магнитное поле, притягивающее мембрану к сердечнику. Сигнал изменяется, и мембрана совершает колебательные движения, приводящие к колебанию частиц окружающего воздуха – звуку.

         Кроме микрофона и телефона современный телефонный аппарат содержит приборы для набора номера, подачи сигнала, подключения и т.д.

Система факсимильной связи

          Система факсимильной связи – это система передачи неподвижного изображения. Изображение воспринимается как рисунок, если состоит из сочетания светлых и темных участков. Падающий на них свет отражается по разному (от светлых участков – больше, от темных – меньше). Информационным параметром изображения является коэффициент отражения.

         Коэффициент отражения – это отношение светового потока, отраженного от участка изображения, к потоку, падающему на этот участок. Коэффициент отражения при переходе от одного участка к другому в общем случае имеет непрерывный характер.

         Передатчик системы преобразует неподвижное изображение в электрический сигнал, основываясь на свойстве фотоэффекта.

         Фотоэффект – это физическое явление, происходящее в некоторых веществах под действием падающего на них света. Внутренний фотоэффект проявляется, например, в изменении электропроводности, а внешний фотоэффект заключается в испускании электронов различной интенсивности. Количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности светового потока. Преобразователи, использующие это явление, называются фотоэлементами.

 

Рисунок 2.2

          Токи в фотоэлементах очень слабы, их необходимо усиливать.

         Преобразование изображения в сигнал осуществляется с помощью разбиения его на элементы – дискреты, которые последовательно освещаются отраженным от изображения светом. В цепи фотоэлектрического преобразователя появляется изменяющийся во времени сигнал U(t). Преобразование этого сигнала в изображение в основном осуществляется 3 способами:

-       для получения изображения используются пишущие устройства (карандаши, трубочки и т.д.), оставляющие след на движущейся бумаге (барабане);

-       физические или химические процессы на специальной бумаге под действием электрического тока (сигнала);

-       2-х этапный процесс: сначала электрический сигнал преобразуется в световой, который затем фиксируется на фотопленке (или фотобумаге).

3 Лекция 3. Сети связи и их элементы [1,2,3]

 Цель: изучение сетей связи, их структуры.

Содержание:

− определение сети связи и отличие от системы;

− пункты сети;

− каналы связи и их виды.

 Сети связи являются одной из основных инфраструктур современного общества. В литературе встречаются названия сетей: телекоммуникационные, информационные, электросвязи.

Электрическая цепь, состоящая из нескольких участков и обеспечивающая передачу сигналов между двумя абонентами, называется соединительным трактом (канал). Процесс поиска и соединения цепей называется коммутацией каналов или просто коммутацией. Наличие процесса коммутации – основное отличие сети связи от системы.

Совокупность технических средств, обеспечивающих передачу и распределение сообщений, образует сеть электросвязи.

Сеть является совокупностью:

           а) пользователей (абонентов) – источников и потребителей информации, создающих и потребляющих потоки сообщений и определяющих требования по доставке и обработке информации;

           б) пунктов связи: оконечных, в том числе абонентских (АП), содержащих аппаратуру ввода-вывода информации; узлов связи (УС) – коммутационных (для распределения сообщений) и сетевых (СУ) – для распределения пучков каналов; вычислительных центров и банков данных БД.

           в) каналов связи, объединенных в линии между отдельными пунктами сети;

           г) систем управления различных уровней.

Сеть связи является «большой системой», для которой нельзя дать корректное математическое описание функционирования и формализовать все требования к её работе. Но можно выделять отдельные подсистемы, допускающие формализацию описания и исследование её моделей.

Сеть электросвязи представляет собой многофункциональную, непрерывно меняющуюся и развивающуюся, восстанавливаемую систему, срок жизни которой во много раз больше жизни ее элементов.

Особенностями сети электросвязи как большой системы являются:

- большое число разнообразных оконечных пунктов и узлов;

- неоднородное их распределение по обслуживаемой территории;

- использование линий с различной средой распространения сигнала;

- малая связность пунктов;

- неоднородность тяготения.

 

Сети связи подразделяются по следующим признакам:

- виду доставляемой информации (телефонная, телеграфная …);

- обслуживаемой территории – международная, междугородная, зоновая, местная (городская и сельская, ведомственная);

- сфере применения – общего пользования, производственная, технологическая, диспетчерская;

- способу распределения и доставки сообщений – по прямым каналам или с коммутацией;

- структуре – организации линий между пунктами;

- используемой технике – кабельная, радио, ИСЗ и т. д.

- по способу управления сетью.

 

3.1 Пункты [2]

 Основой сети связи является её структура – совокупность пунктов и линий связи с их взаимным расположением и характеристиками.

Все пункты по своей роли могут быть распределены на оконечные (в том числе абонентские) с аппаратурой ввода и вывода информации, узлы связи УС, обеспечивающие распределение информации, и вычислительные центры, осуществляющие обработку и хранение информации.

Узлы связи УС делятся на коммутационные и сетевые (кроссовые).

Все пункты характеризуются

- мощностью по вводу и выводу информации;

- коммутационными возможностями;

- мощностями обработки и хранения информации;

- стоимостью;

- надежностью.

 

3.2 Каналы связи [2]

 Под каналом связи будем понимать комплекс устройств, обеспечивающих перенос сигналов (передачу информации) из одной точки пространства в другую, причем концами канала (полюсами) будем считать либо устройства ввода и вывода информации (абонентскую аппаратуру или устройства сопряжения каналов с ЭВМ) либо входы или выходы коммутационных систем.

Каналы связи независимо от технической реализации и среды распространения различаются по пропускной способности, направлению передачи информации и их роли в сети связи.

Пропускная способность зависит от вида передаваемого сигнала – аналоговый или дискретный.

Аналоговые каналы характеризуются частотной полосой пропускания, динамическим диапазоном сигнала, временем распространения и помехами.

Дискретные каналы характеризуются скоростью передачи в бит/сек (иногда в бодах) и помехами – величиной и характером.

По направлению передачи информации различают каналы:

- симплексные, по которым информация может передаваться только в одном направлении (например, каналы вещания);

- дуплексные, по которым информация может передаваться одновременно в обоих направлениях;

- полудуплексные (реверсируемые), обеспечивающие в каждый момент времени передачу только в одну сторону и поворот (реверс) для передачи в обратную сторону;

- ограниченно дуплексные, обеспечивающие передачу информации в одном направлении с одной пропускной способностью, а в обратной – с меньшей.

По числу полюсов каналы могут быть двухполюсными (с одним входом и одним выходом) или многополюсными – групповыми.

По виду передаваемой информации выделяют телеграфные низкоскоростные и высокоскоростные, телефонные, звукового вещания и др.

По использованию в сети связи каналы делят на прямые (без промежуточной коммутации) между различными пунктами и коммутируемые.

Коммутируемые каналы по направлению установления соединения подразделяются на каналы одностороннего и двустороннего действия.

Совокупность каналов между двумя пунктами образует линию, которая может характеризоваться емкостью  (числом стандартных каналов или суммарной пропускной способностью всех каналов).

 

4 Лекция 4. Линии связи [1.2]

Цель: ознакомить студентов с понятием «линия связи» и ее  местом в сетях.

Содержание:

− виды линий и их характеристики;

− методы разделения каналов.

 Линии связи – это сооружения, содержащие среду распространения сигналов и комплекс электронного оборудования, способного передавать одновременно сотни и тысячи сигналов различных видов, т. е. линия – совокупность каналов.

Понятия «линия» и «канал» совпадают, если по линии передается один канал.

В зависимости от среды распространения линии делятся на

- проводные;

- беспроводные (радиолинии).

К первым относятся линии, в которых сигналы распространяются вдоль специальной, искусственно создаваемой и непрерывной направляющей среды. В простейшем случае – это физическая цепь, образуемая парой проводов, по которым распространяется электрический сигнал (ток). Если провода не имеют изолирующего покрытия, их разносят в воздушном пространстве. Изолятор – воздух. Это – воздушные линии связи.

Проводные линии, образованные проводами, имеющими изоляционное покрытие и помещенные в специальные защитные оболочки – это кабельные линии связи. Они разнообразны по конструкции, условиям прокладки и области применения.

По взаимному расположению проводников кабели разделяются на симметричные и коаксиальные, а по условиям прокладки – на подвесные, подземные, подводные.

Прогресс в электросвязи определяется созданием новых линий связи, отличающихся от прежних большей пропускной способностью и малым затуханием сигнала. Одно из решений – волоконно-оптические линии связи. Средой распространения сигнала являются тонкие (диаметром 125....150 мкм) двухслойные стеклянные волокна – световоды, по которым передаются сигналы в оптическом диапазоне частот (10¹⁴ …10¹⁵ Гц).

 

Рисунок 4.1

 Широкое распространение получают беспроводные линии – радиосвязь.

Радиоволны – это электромагнитные колебания с частотами до 3∙10¹² Гц. Распространяются без искусственных сред.

Линия радиосвязи может состоять из нескольких (многих) участков, в каждом из которых есть принимающая и передающая аппаратура, передающая предварительно усиленный сигнал в следующий пункт. Такие линии называются радиорелейными. Используются при этом частоты 2-8 ГГц, сигнал распространяется прямолинейно, станции друг от друга должны находиться на расстоянии прямой «видимости», около 40-60 км.

Преимуществом РРЛ перед кабельными линиями является быстрота сооружения, особенно в труднодоступных и необжитых районах.

Разновидностью РРЛ можно считать спутниковые радиолинии. Радиосигналы с земной передающей станции излучаются в направлении искусственного спутника Земли (ИСЗ), где принимаются, усиливаются и передаются в направлении земной станции приема.

 Методы разделения каналов [1]

 Образование каналов для передачи отдельных сигналов по одной линии связи называется разделением каналов. Операция разделения каналов основана на присвоении каждому передаваемому сигналу индивидуального признака. Известны различные методы разделения каналов, но наиболее широко применяются метод частотного разделения каналов ЧРК и метод временного разделения ВРК.

При использовании метода ЧРК каждому передаваемому сигналу отводится строго индивидуальная полоса частот. Сигналы электросвязи, соответствующие однородным сообщениям, имеют одинаковую ширину спектра.

Например, 300÷3400 Гц при передаче речи в телефонной связи; 30÷15000 Гц – при передаче программ звукового вещания и т. д.

С помощью специальных устройств – преобразователей частоты – полоса частот каждого сигнала переносится без изменения ширины в другой диапазон частот (рисунок 4.2).

Полосы частот, занимаемых каждым сигналом после переноса, должны находиться в пределах частотного диапазона используемой линии передачи.

В основу метода ВРК положен принцип поочередной, поэлементной передачи нескольких сигналов по одной линии. Вначале передаются первые элементы Ι сигнала, затем второго и т. д., затем вторые элементы I сигнала, второго и т. д. до последнего; данная операция повторяется цикл за циклом пока не будут переданы последние элементы всех сигналов. Каждый сигнал передается в строго определенные промежутки времени, по своему «временному каналу» - всего n-каналов. На приемном конце элементы каждого сигнала выделяются, объединяются и восстанавливается копия исходного сигнала.

  

Рисунок 4.2

 Технические средства, позволяющие образовывать каналы передачи, входят в состав систем передачи.

 

Рисунок 4.3

 Современные системы передачи являются многоканальными.

5 Лекция 5. Коммутация [1]

 Цель: дать представление о способах доставки сообщений, их сравнительные оценки.

Содержание:

− коммутационные приборы и требования к ним;

− способы коммутации и их сравнительный анализ.

 Для соединения двух абонентов должен быть построен специальный путь прохождения электрического сигнала – тракт, который проходит через несколько пунктов сети. Тракт создается человеком или специальными приборами и существуют только на время одного сеанса, после чего распадается. Процесс построения и распада тракта называется коммутацией, осуществляемый специальными приборами.

Коммутационные приборы – это устройства, способные скачкообразно изменять проводимость электрических цепей.

Различают приборы контактные и бесконтактные: в первых проводимость меняется путем замыкания и размыкания контактов, включенных в электрическую цепь; во вторых – проводимость изменяется изменением какого-либо параметра, включенного в цепь (сопротивления, индуктивности или емкости). Коммутационные приборы, хорошо описанные в [1], изучаются самостоятельно.

Основные требования, предъявляемые к коммутационным приборам: обеспечение высококачественного электрического контакта, быстродействие, надежность и долговечность, простота обслуживания, низкая стоимость.

 

Способы доставки сообщений

 Процесс доставки информации потребителю от источника разбивается на следующие этапы:

- доставка информации в пункт ввода в сеть;

- формирование сообщения и ввод его в сеть;

- передача (непосредственная или с запоминанием и обработкой) от пункта ввода в пункт вывода;

- вывод из сети в виде, удобном для пользователя;

- доставка пользователю.

В пунктах сети может осуществляться хранение, обработка и распределение информации. При этом преследуются 2 цели:

- доставка каждого сообщения по адресу;

- повышение использования каналов связи и другого оборудования, а следовательно, снижение стоимости как сети в целом, так и доставки отдельных сообщений.

Для этого на узлах связи создаются специальные системы, позволяющие передавать сообщения в нужном направлении. Этот процесс осуществляется следующими способами:

- созданием долговременного (или постоянно действующего) соединения между входящим и исходящим каналами – кроссированием;

- созданием кратковременного (на время передачи одного сообщения) соединения – коммутацией каналов;

- приемом приходящего сообщения (или его части) с последующей передачей в требуемом направлении – коммутацией сообщений.

1. Кроссирование (иногда называют кроссовой коммутацией) осуществляется в узлах связи и сводится к образованию составных каналов или групповых трактов, проходящих через несколько узлов. С помощью кроссирования в соответствии с проектом осуществляется распределение каналов первичной сети между различными вторичными сетями и создаются пучки прямых каналов.

Изменение кроссировок производится:

- по расписанию;

- эпизодически (в случае аварии, изменения нагрузок и т. д.);

- разово – при вводе в строй новых участков.

2. Коммутация каналов – это построение электрической цепи на время одного сеанса связи между пунктами i и j. Построенный путь S состоит из некоторого набора линий, при этом каждая линия этого пути выделяет часть r_s ее полной пропускной способности.

Недостаток этого способа коммутации – отведенная сеансу часть линии используется не эффективно, т. к. время реальной передачи информации меньше общего времени занятия, т. е. пропускная способность линий используется не полностью.

Для устранения этого недостатка используется другой способ передачи – с промежуточным накоплением информации, при этом сообщения передаются по линии, используя всю ее пропускную способность. Этот способ называется коммутацией сообщений.

3. Коммутация сообщений предполагает, что каждое сообщение снабжено адресом и вместе с ним передается на ближайший узел, где оно фиксируется, ставится в очередь, а затем передается на следующий узел. Иными словами, путь заранее не определяется. За счет наличия очереди в накопительном бункере лучше используется пропускная способность линии.

Преимущества коммутации сообщений перед коммутацией каналов:

а) повышает использование каналов (наличие очереди загружает канал и скорость по нему может быть в 4-8 раз выше);

б) позволяет на разных участках канала работать с разными скоростями;

в) уменьшает ошибки, т. к. контроль поэтапный;

г) позволяет осуществлять регистрацию проходящих сообщений.

Недостаток – задержки в узлах накопления информации, необходима их большая емкость.

4. Коммутация пакетов – это разновидность коммутации сообщений, при которой сообщения (как правило произвольной длины) делятся на части фиксированной длины, снабженные определенной служебной информацией – адресом, кодом пакета (номером в сообщении), шифром срочности и т. д.

Во многих случаях этот вид коммутации оказывается наиболее эффективным:

а) ускоряет передачу данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна параллельная передача пакетов одного сообщения на разных участках сети;

б) при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего сообщения

в) ограничение сверху на размер пакета позволяет обойтись меньшим размером буферной памяти в промежуточных узлах.

В сетях с коммутацией пакетов различают два режима работы:

- режим виртуальных каналов (т. е. связь с установлением пути передачи);

- дейтаграммный режим (связь без установления соединения).

В режиме виртуальных каналов устанавливается последовательность прохождения узлов, и пакеты одного сообщения передаются в естественном порядке по установленному маршруту. При этом в отличии от КК линии связи могут разделяться многими сообщениями, когда попеременно по каналу передаются пакеты разных сообщений (так называемый режим временного мультиплексирования).

В дейтаграммном режиме сообщение делится на дейтаграммы, т. е. пакеты, передаваемые независимо от других частей сообщения.

Дейтаграммы следуют по сети по различным маршрутам и могут поступать адресату в произвольном порядке, что может послужить причиной блокировки сети. На внутренних участках маршрута контроль правильности передачи не предусмотрен, и надежность связи обеспечивается лишь контролем на оконечном узле.

Блокировкой сети в дейтаграммном режиме называется такая ситуация, когда в буферную память узла поступило столько пакетов разных сообщений, что память полностью занята. Следовательно, буферное устройство не может принимать другие пакеты и не может освободиться от уже принятых, т. к. это возможно только после поступления всех дейтаграмм сообщения.

6 Лекция 6. Объединение сетей [1, 2,11]

 Цель:  изучить тенденции сетей связи к объединению, необходимость и возможность объединения, принципы, на которых оно происходит.

Содержание:

− возможность и целесообразность объединения сетей электросвязи;

− принципы построения единой сети связи;

− понятия о первичных и вторичных сетях.

 Технический прогресс в обществе ведет к появлению новых видов информации и сетей связи, их обеспечивающих. Эти процессы во всем мире дополняются процессом слияния функционально различных сетей в единую сеть связи.

Этот объективный процесс объясняется особенностями, присущими всем сетям связи:

а) для обеспечения передачи и распределения информации в любой сети  требуется ряд технических средств (систем), функции которых ограничены четырьмя основными задачами:

– преобразование исходных информационных сигналов, поступающих от источников информации, в электрические сигналы;

− перенос этих электрических сигналов из одной точки пространства в другую без потерь вложенного в них информационного содержания, осуществляемый с помощью систем передачи;

− установление путей переноса, обеспечивающего адресное получение сообщения;

− обратное преобразование электрических сигналов в исходные информационные.

б) в большинстве случаев источниками и приемниками информации являются люди или приборы (устройства),обслуживаемые людьми и, следовательно, территориально оконечные устройства сетей располагаются в местах концентрации населения;

в) третьей особенностью сетей связи является ограниченный набор форм представления исходной информации, которая должна преобразовываться в электрические сигналы. Эти формы определяются физиологическими способностями восприятия информации человеком;

г) общность функций оконечного оборудования любой сети создает предпосылки для унификации методов преобразования.

Необходимость передачи электрических сигналов в совпадающих направлениях приводит к необходимости унифицировать сигналы, а также объединить системы передачи, обладающие соответствующей пропускной способностью. Сходность функций, осуществляемых различными системами коммутации – организация путей передачи информации для ее доставки от одного потребителя к другому, создает предпосылки для объединения этих систем.

Возможность слияния различных сетей дополняется целесообразностью такого слияния, обеспеченного техническим прогрессом в области создания новых систем передачи, использующих надежную элементную базу (БИС).

Экономическая целесообразность основана на факте снижения стоимости передачи единицы информации с увеличением мощности (емкости) системы.

При построении единой сети связи необходимо соблюдение следующих принципов.

1.      Организационно-техническое единство.

2.       Автоматизация.

3.       Экономичность, основанная на принятии оптимальных параметров сети и общей тенденции снижения себестоимости с увеличением емкости сети.

4.      Надежность, которая означает своевременную и качественную передачу сообщений (без искажения смысла).

5.      Учет административно-территориального деления страны и его иерархичность.

6.      Способность к развитию как в смысле увеличения количества абонентов и охвата территории, так и в смысле освоения новых услуг.

7.      Интеграция.

8.      Общность технических средств для всех видов связи, основанная на стандартизации и типизации.

9.      Иерархичность.

Создание единой сети потребовало решения вопросов структуры сети, обеспечивающих два главных требования - экономичность построения сети и надежность передачи информации.

Первичная сеть – совокупность систем передачи и сетевых узлов, образующих сеть каналов связи различных типов, включая здания и гражданские сооружения. Первичная сеть образуется из системы воздушных и кабельных линий, космических и наземных систем радиосвязи, пунктов управления дальней связью, устройств обслуживания при эксплуатации. Она предоставляет каналы и тракты передачи для вторичных сетей и подразделяется на первичные местные сети, зоновые (узловые) и первичную сеть дальней связи.

Вторичная сеть- совокупность путей передачи в первичной сети, выделяемых временно или закрепляемых постоянно за некоторой службой связи, специальных устройств коммутации и установления соединений и оконечных аппаратов, включая источники питания.

Сюда же относят и необходимые для эксплуатации здания  и устройства. В сетях радиосвязи вместо устройств коммутации и установления соединений к вторичной сети относят оконечную аппаратуру студий, радиопередающих и радиоприемных устройств.

В зависимости от решаемых задач  и размеров вторичная сеть может разделяться на уровни и зоны.

Вторичную сеть можно кратко определить как материально-техническую базу для функционирования определенного вида связи. Более точно, следует иметь в виду, что существуют два принципиально различных типа вторичных сетей.

Первый тип сети характеризуется тем, что оконечная аппаратура (называемая также абонентскими установками) может быть как источником, так и приемником информации. Типичными представителями этого вида сетей являются телефонные, телеграфные и сети ЭВМ, а также сети подвижной наземной радиосвязи.

Второй тип сети характеризуется направленностью связи. В передаче участвует один или несколько источников информации, а приемниками являются несколько потребителей информации. Типичными представителями этого вида сети являются сети радиовещания и телевидения.

7 Лекция 7. Типы сетей электросвязи [1,3]

 Цель:  подготовить студентов к восприятию топологических характеристик сети.

Содержание:

− типы структур сетей;

− радиальные, радиально-узловые, древовидные, кольцевые, линейные сети, сетка;

− сети магистральные, зоновые, местные.

 Сети электросвязи в большинстве случаев являются сетями общего пользования. Рассмотрим основные понятия на примере сетей телефонных, как наиболее распространенных, объединяющих многие миллионы телефонных аппаратов по всему земному шару.

Простейшее соединение 2-х телефонных аппаратов – это система телефонной связи.

 

 

 Рисунок 7.1

Источник информации и ее получатель называются абонентами, которые снабжены микрофоном и телефоном. Канал связи состоит из преобразователей сигналов и среды распространения, в простейшем случае, скрутки двух металлических проводов.

Использование системы телефонной связи возможно только при ограниченном числе абонентов, каждый из которых соединен с любым другим прямым каналом. Но по мере увеличения числа абонентов задача построения сети становится невыполнимой из-за огромной протяженности линий.

Рисунок 7.2

 Но в теоретическом отношении – это самая простая сеть, называемая «каждый с каждым». Преимущество ее в том, что каждый абонент имеет постоянный канал связи, т. е. в полной мере выполняется основное требование, предъявляемое пользователями сети – надежная, бесперебойная связь в любое время.

Недостаток ее тоже очевиден – огромная стоимость связи, т. к. к каждому абоненту должна быть проложена своя линия.

Принципиальное решение по уменьшению длины линий связи состоит во введении  в сеть специальных пунктов, снабженных аппаратурой соединения линий отдельных  систем в единую электрическую цепь, называемую соединительным трактом.

Процесс поиска и соединения цепей называется коммутацией каналов, или просто коммутацией. Оборудование, выполняющее коммутацию, называется станцией коммутации, или телефонной станцией. В зависимости от количества абонентов и их размещения в пространстве изменяется количество необходимых станций и топология (конфигурация) сети. Роль коммутационной станции состоит в построении тракта, обеспечивающего связь только на время разговора, а по его окончании – разрывающего связь.

 В зависимости от назначения сети и количества абонентов возможно использование различных топологий сетей.

а) Радиальная сеть.

Линия, соединяющая абонента с телефонной станцией, называется абонентской. Простейшая сеть состоит только из абонентских линий (рисунок 7.2), эта сеть называется «звездой» или радиальной, обеспечивает связь между N абонентами, N≤10000.

Рисунок 7.3

 Как правило, абонентская линия представляет собой пару свитых между собой проводов. Для передачи сигнала используется одна и та же электрическая линия в обоих направлениях.

б) радиально-узловая сеть.

Рисунок 7.4

 Если число абонентов велико (N>>10000) и они рассредоточены на большой территории, то применяется сеть с несколькими узлами коммутации (на рисунке 7.3 станций 3, к каждой из которых подключены абонентские аппараты близко расположенных абонентов). Каждый аппарат является оконечным пунктом и подключен только к одной станции. Все станции соединены между собой соединительными линиями по принципу «каждая с каждой». Структура сети позволяет устанавливать соединения между любыми абонентами через одну и две станции. Подобную структуру имеют сети многих городов, если число абонентов в них 80-90 тыс., а число станций при этом не превышает десяти. Нумерация абонентских телефонов – пятизначная: первая цифра – номер станции, следующие четыре – номер телефона на станции.

в) сети с узлообразованием.

Сети больших городов, имеющие большое число станций (n>10) строятся на принципе создания районов, называемых узловыми, и узловых станций входящего (УВС) и исходящего (ИВС) сообщений. Связь между абонентами разных узловых районов осуществляется через специальные узлы.

 

Рисунок 7.5

 В УВС1 первого района поступают сообщения со станций второго района и доставляется к станциям своего района, а на УВС2 сообщения поступают со станций первого района и передаются станциям своего района. Нумерация в таких сетях шестизначная: первая цифра – номер узлового района, вторая – номер станции в районе, четыре последних – номер телефона на станции. Например, 462291 – это шестая станция четвертого узлового района, номер на станции 2291.

В очень больших городах в каждом узловом районе имеется два узла – узел входящих сообщений УВС и узел исходящих сообщений УИС. Схема соединения приведена на рисунке 7.6.

 

Рисунок 7.6

 

8 Лекция 8. Элементы теории графов [3,4,5,7]

 Цель: изучить основы теории графов.

Содержание:

− понятия о графах;

− элементы графа;

− структурные особенности частей графа;

− путь и сечения.

 При проектировании конструкций пользователю удобно иметь дело с моделями, представленными чертежами, графиками, где элементы конструкций изображены точками, а связи между ними – линиями. Такое представление весьма наглядно. Осуществить его можно с помощью аппарата теории графов.

Объект, состоящий из двух множеств (множества точек и множество линий), которые находятся между собой в  некотором отношении, называют графом.

Множество точек графа называют множество вершин и обозначают

 .

Множество линий, соединяющих пары вершин (x_i,x_j) называется множеством ребер, которые обозначаются

  .

Обычно вершины обозначают цифрами (1, 2 …n), буквами с индексами (x_1…x_j…) или заглавными буквами (А, В, С…).

Линии обычно обозначают буквами с индексами (а₁, а₂…u_j…) или двумя цифрами или буквами, обозначающими вершины, которые соединены этой линией (u₁=(x₁, x₂), (x_i, x_j)=u₂...).

Можно выделить три вида графов.

1. Логический смысл вершин начала и конца дуг различен, линии – дуги помечены стрелками. Такие графы называются ориентированными (орграфы)(например, сеть радиовещания).

2. Направление связей не имеет принципиального значения, линии не имеют стрелок и называются ребрами. Граф называется неориентированным (например, ГТС).

3. Графы, имеющие как дуги, так и ребра, называются смешанными (напр., система телекоммуникации).

Особое место занимает нуль-граф – граф без дуг и ребер, состоящий только из вершин.

Для ориентированного графа введено понятие пути, т. е. последовательности дуг, причем конец каждой предыдущей совпадает с началом последующей.

.

Путь называется простым, если никакая дуга не встречается дважды и составным – в противном случае; элементарным – если никакая вершина не встречается дважды. В технических приложениях используются только простые, элементарные пути и эти определения обычно опускаются. Замкнутый путь называется контуром.

Последовательность ребер и разнонаправленных дуг называется цепью. Замкнутая цепь называется циклом.

Рангом пути будем называть число дуг, составляющих путь.

Если каждой дуге поставить в соответствие некоторую характеристику, называемую весом дуги (например, длину, стоимость, вес и т. д.), то сумму этих весов будем называть длиной пути

    

Путь, имеющий наименьшую характеристику среди множества путей M_ST, соединяющих вершины S и T называется кратчайшим.

Длина кратчайшего пути между S и T называется расстоянием d_ST между S и T, т. е.

.

Для определения кратчайших путей разработано множество методов, рассмотрим один из них – метод пометок.

Пусть дан граф, на дугах которого записаны цифры – длины дуг. Определить расстояние между вершинами 1 и 5.

Рисунок 8.1

 

Помечаем вершины:

 (из вершины 1)

 (из вершины 1)

 (из вершины 2)

 (из вершины 2)

 (из вершины 3)

 (из вершины 4)

Определим  (из вершины 4)

 (из вершины 2)

 - расстояние между вершинами 1 и 5.

Подграфом графа G=(X, U) называется граф G^*=(Y, V), для которого справедливы соотношения

, .

Частичным графом графа G = (X, U) называется граф G^´´= (X, W), для которого справедливо условие .

Иными словами подграф содержит часть вершин и дуг исходного, а частичный – все вершины и часть дуг.

Наиболее часто встречающийся частичный граф – это дерево, содержащее все вершины графа и ребра, не образующие циклов. Число дуг дерева на единицу меньше числа вершин.

Граф называется сильно связным, если между каждой парой его вершин существует путь, и связным – если существует цепь. Каждый сильно связный граф связен, обратное утверждение не справедливо.

Степенью связности называется минимальное число h независимых путей, имеющихся между каждой парой узлов сети. Понятие связности может быть отнесено не ко всей сети, а к заданной паре вершин, или к путям, обладающим заданным свойством (*).

Сечением графа называется минимальная совокупность ребер, изъятие которой нарушает его связность. Сечение записывается множеством входящих в него ребер, например

.

Число этих ребер определяет ранг сечения

.

Если граф имеет хотя бы одну пару вершин x_i и x_j, соединенных m ребрами (или дугами) одного направления, он называется мультиграфом.

Если ребро  графа G=(X, U) соединяет вершины , т.е. , то говорят, что ребро инцидентно вершинам . Справедливо и обратное – вершины  инцидентны ребру.

Если две вершины  соединены ребром, то они называются смежными.

Если два ребра инцидентны одной вершине, то они называются смежными. Следовательно, отношения инцидентности и смежности имеют место как на множестве вершин, так и на множестве дуг.

Число ребер, инцидентных вершине  называется локальной степенью этой вершины.

Цикломатическим числом графа называется наименьшее число ребер, которое необходимо удалить из графа G=(X, U), чтобы он стал деревом (т. е. ациклическим). Цикломатическое число  

где  - число вершин графа, ;

 - число дуг графа, ,

9 Лекция 9. Матрицы графов [3,4,5,7]

 Цель: освоить методы представления графов и использования их для анализа и синтеза сетей.

Содержание:

− матрицы графа (смежности, цикломатическая, структурная);

− использование структурной матрицы.

 Отображать графы можно в виде чертежа, перечня его вершин и дуг, находящихся в некотором соотношении и специальными таблицами – матрицами.

x₂=Гx₁

x₁=Гx₂

x₃=Гx₂

…

Рисунок 9.1

 9.1. Матрица смежности

Матрицей смежности будем называть квадратную таблицу, число дуг и столбцов которой равно числу вершин, а вхождения определяются по формуле

если x_i соединена с x_j,

 в противном случае.

 

Диагональные элементы матрицы не определены, в клетках  ставятся «-».

Преимущества представления графа в виде матрицы смежности – простота и формализованность, но запись в ЭВМ требует большого объема памяти.

Если каждому ребру графа поставить в соответствие некоторые числа, характеризующие длину, стоимость, пропускную способность и пр., так называемые веса ребер, то на базе матрицы смежности можно построить матрицы длин, стоимости и пр., учитывающие специфику физического смысла веса. Например, в матрице стоимости элементы главной диагонали – нули, вхождения, соответствующие ребрам графа – их стоимости, а при отсутствии ребер – бесконечности.

 если

если

если

Если в качестве веса ребра рассматривается  - пропускная способность, то

 если

если

если

 9.2.          Матрица инциденций

 Эта матрица представляет собой прямоугольную таблицу, строки которой соответствуют вершинам графа, а столбцы – ребрам (дугам).

Для неориентированных графов матрица строится по правилу

 если ребро (i,j) инцидентно i

в противном случае.

 Для орграфов матрица строится по правилу

 если дуга (i,j) исходит из i

если дуга (i,j) входит в j

если дуга (i,j) не инцидентна i 

9.3. Цикломатическая матрица     

Рисунок 9.2

 

 

 

 Названная матрица представляет собой прямоугольную таблицу, строки которой соответствуют циклам графа , а столбцы – его дугам. Вхождения определяются по формуле

если

если

если

Если не оговорено иначе, направление обхода цикла принимается по часовой стрелке, но могут быть и другие правила.

 

 

Для неориентированных графов матрица отражает только наличие или отсутствие ребра в рассматриваемом цикле.

 9.4. Структурная матрицаСтруктурная матрица представляет собой квадратную таблицу, строки и столбцы которой соответствуют вершинам графа. Элементы матрицы отражают связи между узлами:

 

 

если

если  и

 если  и

если

 Пусть дан граф

В=

 

 

 

Рисунок 9.3

9.4.1 С помощью структурной матрицы В можно построить всё множество путей между каждой парой вершин графа, причем пути будут определенного ранга. Для получения множества путей ранга не больше двух (т. е. , все пути должны состоять из одной или двух дуг) нужно возвести матрицу В в квадрат, т. е. умножить саму на себя, В²=В∙В, для получения путей ранга не больше 3 () матрица возводится в куб, т. е. В³=В²∙В.

На некотором шаге q вычислений окажется, что все элементы матрицы В^q+1 равны элементам матрицы В^q, которая называется характеристической, или матрицей всех путей. Поскольку ранг пути не может превышать количество его вершин, то характеристическое число .

Построение характеристической матрицы позволяет построить множество всех путей, содержащее пути различных рангов (первого, второго…). Если же необходимо построить сочетание путей определенного ранга (строго третьего, строго второго …), то в структурной матрице все диагональные элементы приравниваются к 0, а все остальные действия остаются прежними.

9.4.2 Структурная матрица В используется для построения полного множества путей между любой парой вершин i и j. Для этого в матрице В вычеркивается i-й столбец и j-ая строка, строится определитель из оставшихся элементов матрицы В и раскрывается по правилам булевой алгебры.

Например, построим множество путей между вершинами 1 и 4 (для примера В).

        

Раскрыв определитель, получим пути из вершины 1 в вершину 4.

Из 2 → 4

        

 

9.5 Сечения

Сечением s сети назовем минимальную совокупность ребер, которые надо изъять из сети, чтобы нарушилось ее связность. Сечением s_ST  по отношению к узлам S и Т будем называть такие сечения, при которых названные узлы будут находиться в разных подсетях. Рангом сечения называется число входящих в него ребер.

10 Лекция 10.  Задачи анализа и синтеза телекоммуникационных        сетей   [2,5,9]

 Цель: изучить показатели эффективности систем телекоммуникации и методы использования их в задачах анализа и синтеза.

Содержание:

− показатели эффективности сетей;

− критерии оптимальности;

− целевая функция и ограничения;

− векторная оптимизация.

 

10.1 Показатели эффективности систем связи

 Общий показатель эффективности систем связи – увеличение национального дохода или валового продукта за счет средств связи.

Например, производительности труда (в строительстве), качества продукции, ускорения производственных процессов. На транспорте применение диспетчерской связи увеличивает его пропускную способность в 1,5-2 раза. Однако в настоящее время нет достаточно хороших методов, позволяющих численно определить эффективность системы «связь».

Существует большое число частных показателей для оценки сетей электросвязи.

1. Объемные показатели:

- число оконечных пунктов, как общее, так и отнесенное к 1000 человек или к площади;

- общая длина линий, как по видам линий (кабельные, воздушные, РРЛ), так и по видам сетей;

- общая длина каналов  (км) как по отдельным видам связи, так и приведенная к стандартному телефонному каналу (каналу ТЧ);

- число переданных сообщений (разговоров);

- число часозанятий;

- число часов вещания;

- число работающих.

Способность сети выполнять своё основное назначение – доставку сообщений на расстоянии – характеризуется показателем, который можно назвать «номинальной мощностью» сети по пропускной способности

где  - номинальная пропускная способность ребра (ij) (линии, пучка каналов), бит/сек;

 - длина ребра, км.

Если пропускную способность определить как емкость (число каналов), то мощность сети переходит в общую длину каналов

 

где  - емкость (ij).

Реальная мощность сети определяется

где  - коэффициент использования каналов

      (обычно =0,6÷0,8).

Фактическая загрузка сети (использование её емкости)

где  - объем передаваемых сообщений, бит;

t – время, (час, с).

2. Временные показатели:

- t₁ – время предоставления канала пользователю;

- t₂ – то же оплачиваемое пользователем;

- t₃ – время активности канала;

- - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- t_n – время исправного состояния канала.

3. Показатели надежности:

- вероятность Р безотказной работы в интервале времени [t,t+∆t];

- коэффициент готовности

где  - рабочее время;

 - время простоя;

- коэффициент простоя

K_п = 1 – К_Г

4. Стоимостные показатели:

- капитальные вложения, К;

- эксплуатационные затраты, Э;

- прибыль, П;

- приведенные затраты П_пр=Э+ЕК.

 

10.2 Критерии оптимальности

 

Понятие «критерий оптимальности» тесно связано с понятием «эффективности», но это не одно и то же.

За критерий оптимальности принимается функция эффективности, зависящая от параметров системы (внутренних и внешних) и способная изменяться в нужном исследователю направлении (уменьшаться или увеличиваться).

На этом основаны методы оптимизации, позволяющие формировать совокупность параметров, отвечающих определенным ограничениям и доставляющих min или max функции критерия. Она в этом случае называется целевой.

Целевая функция отражает зависимость некоторого показателя (стоимость, производительность и пр.) от конструктивных параметров системы и внешних воздействий на нее.

 

 

,

.(10.1)

Задача оптимального проектирования (или планирования) заключается в определении вектора  конструктивных параметров, удовлетворяющих определенным условиям, накладываемым на элементы вектора  и доставляющих экстремум целевой функции

 

 

(10.2)

 

Система ограничений описывает законы функционирования проектируемого объекта, взаимосвязь конструктивных параметров, внешних условий и пр.

Понятие «оптимальное решение» при проектировании имеет вполне определенное толкование – лучшее в том или ином смысле (описываемое целевой функцией), допускаемое обстоятельствами (системой ограничений).

Если «лучшее» решение описывается каким-то одним показателем (стоимость, вес, надежность и пр.), то задача – однокритериальная (скалярная). Для решения таких задач существует хорошо разработанный математический аппарат, так называемые методы исследования операций.

Часто система должна удовлетворять нескольким критериям: иметь минимальный вес и стоимость, максимальную производительность и надежность и т. д. Такие задачи называются задачами многокритериальной или векторной оптимизации.

Методы решения таких задач основаны на идеях сведения их к задачам скалярной оптимизации.

Первый способ – выбрать из множества критериев один , наиболее важный по мнению исследователя, а остальные – добавить к системе ограничений, определив целесообразные границы изменения (например, F₁ – капитальные затраты не должны превышать , надежность F₂ – быть не меньше 0,85, и т. д.). Тогда векторная задача (10.3)-(10.4)

 

,(10.3)

 

(10.4)

 

сводится к скалярной

 

,(10.5)

 

(10.6)

 Второй способ сведения векторной задачи к скалярной – построение на основе множества частных критериев F₁, F₂,…F_n – одного интегрального: аддитивного, мультипликативного, минимаксного.

11 Лекция 11. Задачи синтеза сетей [6, 7, 8, 10]

 Цель: освоить идею синтеза сетей в различных постановках.

Содержание:

− синтез централизованных сетей;

− синтез вторичных сетей.

 Синтез структуры сети является одной из основных задач проектирования сетей связи, при этом необходимо выбрать число и местоположение узлов, число каналов или тип линий, соединяющих отдельные пункты с соблюдением заданных ограничений и технических требований к качеству связи при минимальных затратах.

В задачах синтеза сеть будем представлять:

- набором оконечных пунктов и узлов

;

- совокупностью линий связи с указанием их ориентации

и необходимыми параметрами линий: емкостью в числе стандартных каналов ; надежностью и т. д.

Требуется определить структуру сети таким образом, чтобы удовлетворить потребность в связи всех пар пунктов при минимальных затратах.

В общей постановке задача чрезвычайно сложна, поэтому разработан ряд более простых постановок и методов их реализации.

 11.1 Синтез централизованных сетей

 Централизованной называется сеть, если она представлена двумя иерархическими уровнями:

- терминалами , которые могут подключаться к удаленному концентратору или непосредственно к центральной ЭВМ;

- удаленные концентраторы , которые соединяются с центральной ЭВМ.

Итак, в настоящей задаче заданными являются:

- множества терминалов  и концентраторов  и ЭВМ - ;

- стоимость линий связи, заданных матрицей стоимости ;

- стоимость создания концентраторов .

Определить:

– схему подключения терминалов к концентраторам или ЭВМ, количество и расположение задействованных концентраторов, стоимость сети, учитывая, что каждый терминал  может быть подключен только к одному концентратору , а каждый концентратор может быть соединен только с тем количеством терминалов, которое не превышает пропускной способности .

Введем обозначения:

переменная  означает наличие связи  с , а  - отсутствие связи.

Будем называть концентратор открытым, если к нему подключен хотя бы один терминал, в противном случае – закрытым. Введена переменная

, если  - открыт

, если  - закрыт.

Математическая модель задачи будет иметь вид

(11.1)

при ограничениях

,(11.2)

,(11.3)

,(11.4)

.(11.5)

Задача представлена целочисленной (ноль-единичной) моделью линейного программирования.

Для данной модели разработано большое количество приближенных методов, т. к. получение точного решения весьма трудоемко.

 11.2 Задача синтеза вторичных сетей

 Задача состоит в том, чтобы на заданной первичной сети построить пучки каналов, отвечающие определенным требованиям. Она называется задачей распределения каналов некоммутируемой сети. Для её решения выбираются пути передачи, в которых с помощью долговременных соединений на узлах сети образуются пучки соединительных линий (прямых каналов).

Задача.

Дана первичная сеть, структура которой представлена графом

,

,

.

Задана емкость каждой линии первичной сети  (в виде матрицы емкостей), иногда – их длина  или стоимость .

Для некоторого набора корреспондирующих пар заданы величины требуемых пучков каналов.

.

Построить план распределения каналов вторичной сети, отвечающий определенным технологическим требованиям.

План – это набор путей для каждой корреспондирующей пары

и оптимальное число каналов в каждом пути

Требования

1. Общее число задействованных каналов должно быть минимально (минимизироваться может длина каналов или их стоимость).

Условие 1 – это целевая функция задачи. Пусть  - ранг пути , а  - число каналов в нем.

Тогда минимизация числа каналов выразится формулой

 

,(11.6)

минимизация длины

,(11.)

минимизация стоимости

.(11.

 

2. Каждая корреспондирующая пара обеспечена требуемым числом каналов

 

.(11.7)

 

3. Для любой ветви  суммарная емкость всех путей, содержащих эту ветвь, не может быть больше емкости ветви

 

.(11.8)

 

Пример.

Рисунок 11.1

 

  

,

,

,

.

Минимизировать число каналов:

при ограничениях

,11.9)

.(11.10)

 Представленная модель (11.6 – 11.10) – линейная, целочисленная.

Если в целевой функции (10.6) вместо ранга поставить длину или стоимость каналов, получим разновидности функций (10.) и (10.).

В задаче могут быть предусмотрены дополнительные ограничения, например, на длину (или ранг) путей .

 12 Лекция 12. Надежность и живучесть сетей [8,9]

 Цель: дать понятие о надежности и живучести сетей связи.

Содержание:

− показатели надежности (три уровня);

− живучесть системы;

− самозалечивающиеся системы.

 Надежность - [8] – свойство сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения, транспортирования (согласно ГОСТ 27.002-89).

Надежностью какого-либо объекта обычно называют свойство, заключающееся в способности выполнять определенные задачи в определенных условиях эксплуатации.

Надежность системы оценивается целым рядом показателей, сгруппированных в три уровня.

I уровень – детерминированные показатели, характеризующие структуру сети, изображенную графом. Показатели – реберная, вершинная, смешанная связность.

II уровень – стохастические показатели надежности элементов сети и сети в целом. К этим показателям относятся:

- коэффициент готовности

;

- среднее время простоя;

- наработка на отказ;

- вероятность нарушения установленного соединения;

- средняя величина потерь;

- среднее время восстановления;

- средний срок службы и др.

III  уровень – интегральный показатель надежности сети.

Традиционные показатели надежности, основанные на понятии полного отказа малопригодны в случаях, когда выход из строя некоторой группы элементов системы не означает полного нарушения функционирования, а только снижение качества обслуживания, или снижение эффективности функционирования.

Техническая эффективность системы – свойство системы создавать некоторый полезный результат (выходной эффект) в течении некоторого периода эксплуатации в определенных условиях. Она характеризуется коэффициентом сохранения эффективности КСЭ.

КСЭ – это отношение показателя эффективности системы, рассчитанного с учетом возможности отказов, к номинальному значению этого показателя.

В системах связи выходной эффект может выражаться:

- числом работающих каналов;

- количеством обслуживаемых объектов;

- количеством вызовов и т. д.

,

Э – фактическое значение показателя;

 - номинальное.

  К_СЭ = М(x)

М – математическое ожидание;

(x) – показатель относительной эффективности системы в состоянии x;

.

В последнее десятилетие во всем мире наблюдается повышенное внимание к проблемам надежности сетей связи. Причины этого заключаются в следующем:

- повышенные требования со стороны пользователей;

- усиление конкуренции между операторами связи;

- быстрое развитие новых технологий и услуг;

- возникновение на сетях ряда стран серьезных аварий.

Например:

- в мае 1988 г. пожар на АТС в Хинсдейле оставил без связи на 2 недели 500000 абонентов;

- в январе 1990 г. компания AT&T потеряла 50% трафика из-за программной ошибки в сети ОКС№7;

- в 1991 обрыв ОВ кабеля в Нью-Йорке заблокировал на 8 часов 60% трафика, не работали биржи, аэропорты.

Были разработаны новые подходы к оценке надежности систем, учитывающие

- степень снижения качества обслуживания;

- продолжительность неработоспособности;

- широту распространения влияния отказов.

В США введен новый критерий

ULE (User Lost Erlang) – потерянные пользователями Эрланги

где Е – интенсивности пользовательской нагрузки (в Эрл), теряемой во время простоя;

Н – длительность простоя, час.

В Японии предложен показатель «масштаб отказа»

где А – интенсивность потерянного трафика;

N – число пользователей, оставшихся без связи.

 Живучесть системы

 Под живучестью системы обычно понимается вероятность связности между ее элементами. Очевидно, что понятие целесообразно применять только по отношению к сложным большим системам (объект, состоящий из 2-х узлов и линии, не обладает живучестью).

Для оценки живучести применяют методы расчета (нахождения) множества путей от i к j и оценку их надежности, которая зависит как от топологических, так и технологических характеристик сети.

Применение спец. технологий, резервирования, приборов и аппаратуры изменения топологии позволяет говорить о сетях высокой живучести, о так называемых «самозалечивающихся» сетях.

Познакомимся с сущностью этого понятия на примере сетей SDH. Концепция самозалечивающихся (self healing) сетей состоит в построении сети, которая при отказах элементов способна  сохранять или автоматически восстанавливать нарушенные связи, таким образом, что пользователи не ощущают этого.

При проектировании таких сетей (в Москве действует сеть МАКОМНЕТ) важно обеспечить их надежность и живучесть при минимальных затратах.

Основные структуры. Существует много методов организации самозалечивающихся сетей, обеспечивающих надежность и живучесть в различных ситуациях. Можно выделить 3 основных подхода:

- резервирование по разнесенным трассам;

- организация кольцевых систем;

- использование цифровых систем оперативного переключения ЦСОП.

Три указанных подхода могут использоваться как в чистом виде, так и различных комбинациях. Некоторые авторы (терминология еще не устоялась) к самозалечивающимся относят только кольцевые структуры.

Схема 1 (по разнесенным трассам, обозначается 1+1, или ; или 1:1)

В этом случае 2 пункта соединяются двумя кабелями по географически разнесенным трассам. На приемном конце осуществляется контроль поступающих сигналов и выбор лучшего из них. Данная схема является достаточно традиционной, а возможности аппаратуры SDH (в частности интеллектуальных мультиплексоров) существенно облегчают ее реализацию.

Схема 2 – Кольцевые сети

Возможности мультиплексоров ввода-вывода (МВВ) позволяет организовать кольцевые самозалечивающиеся сети. Существует 2 варианта их построения: однонаправленное (рисунок 12.1) и двунаправленное кольца (рисунок 12.2).

Рисунок 12.1 – Однонаправленное кольцо

а)                                                                            б)

Рисунок 12.2

а) двунаправленное кольцо в нормальном режиме;

б) двунаправленное кольцо в аварийном режиме.

 В I варианте каждый входной поток направляется вокруг кольца в обоих направлениях и на приемном конце выбирается лучший сигнал. Для построения кольца используется 2 волокна.

В случае двунаправленного кольца с двумя волокнами удвоение сигнала не производится. При нормальной работе каждый входной поток направляется вдоль кольца по кратчайшему пути в любом направлении. При возникновении отказа посредством МВВ на обоих концах отказавшего участка осуществляется переключение всего потока информации, поступавшего на этот участок, в обратном направлении. О таком кольце также говорят, что в нём осуществляется переключение секций или защита с совместно используемым резервом.

 

13 Лекция 13.Управление на сетях связи [2]

 Цель: ознакомить студентов с общим понятием «управление» и различными его уровнями.

Содержание:

− уровни управления;

− функции управления;

− задачи управления на разных уровнях.

 Для обеспечения нормальной работы и развития сети электросвязи в условиях изменяющихся требований к ней, внешних воздействий, изменений структуры, появления новых видов связи и услуг, а также изменении потоков, необходимо иметь соответствующие  системы управления сетью.

Сеть электросвязи можно рассматривать как кибернетическую систему, т. е. совокупность объекта управления (управляемой подсистемы) и системы управления (управляющих устройств), связанных между собой потоками контрольной и управляющей информации и подвергающихся внешнему воздействию.

Под управлением в широком смысле этого слова понимают организационную деятельность, технологический процесс или действие, направление на обеспечение заданного функционирования некоторой хозяйственной, технической, социальной или другой системы для достижения определенных целей.

В узком смысле под управлением понимают приведение объекта в работоспособное (исправное) состояние, (что иногда называют регулированием или восстановлением) или приведение исправного объекта в такое состояние, при котором выполняется определенная функция.

Системы управления на сетях связи обеспечивают, с одной стороны, развитие и поддержание в рабочем состоянии как сети в целом, так и отдельных ее составляющих, а с другой – распределение и доставку отдельных сообщений по адресу с соблюдением различных требований к этой доставке.

В сети электросвязи можно выделить четыре уровня управления так, что каждый последующий включает в себя предыдущий.

1. Поддержание в рабочем состоянии отдельных технических средств, когда объектами управления являются отдельные устройства, каналы, приемники, передатчики и т. д. Целью управления (регулирования) является поддержание в норме отдельных параметров аппаратуры (напряжений, уровней сигналов, частоты, уровня шума и т. д.) и содержание отдельных устройств в исправности.

2. Управление доставкой сообщений по адресу (в сети с коммутацией каналов установлением соединения), когда объектами управления являются коммутационные системы узлов коммутации каналов и сообщений. Основная цель управления – выбор пути, создание тракта передачи в соответствии с адресом и удовлетворение дополнительных требований (времени доставки, приоритету, выделению каналов соответствующего качества и др.).

3. Управление распределением каналов и регулирование потоков сообщений, когда объектами управления являются системы кроссирования, а основной целью – распределение и перераспределение каналов между вторичными сетями, создания пучков прямых каналов и выработка алгоритмов выбора путей для обеспечения удовлетворения требований доставки сообщений при изменениях сети или потоков (заявок). На этом уровне принимаются решения об ограничениях приема заявок определенного приоритета или от определенных пользователей, о введении задержек в обслуживании. Реализация принятых решений осуществляется на уровне управления доставкой сообщений.

4. Управление сетью в целом как технико-экономической системой. Целью этого управления является не только поддержание её (сети) в рабочем состоянии, но и принятия решений по планированию её развития, создание тарифов и законодательных актов пользования сетью, регулирования отношений с пользователем.

Независимо от уровня в каждой системе управления выполняются следующие основные функции.

1. Сбор информации о состоянии объекта (путей).

2. Выработка решения о необходимости или возможности приведения объекта в заданное состояние и подготовке управляющих воздействий на объект.

3. Исполнение принятого решения – приведение объекта в нужное состояние путем подачи команд исполнительным органам системы или обслуживающему персоналу, а также выдача пользователям информации о невозможности выполнения тех или иных требований.

4. Доставка информации к устройствам управления и от них, для чего служат различные датчики.

При создании системы управления на любом уровне необходимо решение основных задач по определению цели управления и его технико-экономической эффективности, необходимых воздействий на управляемый объект, требований к собираемой информации и её хранению, мест расположения управляющих устройств и способов передачи информации.

 Управление работой технических средств электросвязи [2]

 Для нормального функционирования сети в целом первым требованием является нормальное функционирование ее отдельных элементов. Поэтому на линиях, станциях и узлах предусматриваются устройства, позволяющие фиксировать возникающие повреждения, сбои, контролировать состояния параметров, регулировать работу средств связи. Это осуществляется обслуживающим персоналом вручную или с помощью только специальных технических средств – автоматически. Общие контрольные устройства осуществляют, например, проверку качества каналов, прохождения соединения в пределах станции или сети определением параметров созданного тракта.

 Управление качеством передачи

 Качество передачи зависит, главным образом, от свойств сигнала (его характеристик), канала, оконечной аппаратуры и наличия помех. Имеются специальные системы автоматического регулирования усиления сигнала, снижения помех и пр.

При использовании дискретного сигнала важным показателем является верность передачи.

Она может повышаться:

- многократной передачей одного и того же сообщения;

- применением кодов, позволяющих обнаружить ошибки;

- обратной передачей информации и её сравнение с исходной.

Для повышения истинности может быть использовано введение избыточности в передаваемую информацию.

 Управление доставкой сообщений

 Установление тракта и передача сообщения должны происходить по кратчайшему из возможных путей. Использование обходных путей повышает нагрузку на сеть, ухудшаются условия доставки других сообщений, но увеличивается вероятность доставки сообщения.

 Управление сетью связи как экономическим объектом

Сеть связи рассматривается как предприятие, вырабатывающее определенную продукцию, для чего необходимы капитальные и эксплуатационные расходы. В этом случае сеть связи (как хозяйственный объект) должна решать следующие задачи:

- обеспечение технологических процессов в сети всем необходимым;

- по труду и заработной плате персонала;

- по применению новой техники;

- механизации трудоемких работ;

- себестоимости продукции и производительности труда обслуживающего персонала;

- основным фондам и капитальному строительству;

- финансовой деятельности;

- материально-техническому снабжению;

- составлению проектно-сметной документации;

- организации обслуживания технического процесса;

- по планированию развития.

Литература

 1.      Дурнев В.Г., Зеневич Б. И. и др. Электросвязь. Введение в специальность. – М.: Радио и связь, 1988.

2.      Давыдов Г. Б., Рогинский В. Н., Толчан А. Я. Сети электросвязи. – М.: Связь, 1977.

3.      Теория сетей электросвязи. Под ред. В. Н. Рогинского. – М.: Радио и связь, 1981.

4.      Крук Б. И., Попантонопуло В. Н., Шувалов В. П. Телекоммуникационные системы и сети. Современные технологии. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003.

5.      Крухмалев В. В., Гордиенко В. Н. и др. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004.

6.      Концепция развития рынка телекоммуникационных услуг. – Связь Информ.- 2001.-№10.-С. 9-32.

7.      Берж К. Теория графов и ее применения. – М.: Иностранная литература, 1962.

8.      Корячко В. П., Курейчик В. М., Норенков И. П. Теоретические основы САПР. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

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

10. Данилина Г. П. Проектирование сетей телекоммуникационных систем. – Алматы, 2005.

11. Зайончковский Е.А. и др. Автоматическая междугородная телефонная сеть связи. – М.: Радио и связь, 1984.

 

Содержание

 

1 Лекция 1. История и перспективы развития средств связи

2 Лекция 2. Системы электросвязи

3 Лекция 3. Сети связи и их элементы

4 Лекция 4. Линии связи

5 Лекция 5. Коммутация

6 Лекция 6. Объединение сетей

7 Лекция 7. Типы сетей электросвязи

8 Лекция 8. Элементы теории графов

9 Лекция. Матрицы графов

10 Лекция 10. Задачи анализа и синтеза телекоммуникационных сетей

11 Лекция 11. Задачи синтеза сетей

12 Лекция 12. Надежность и живучесть сетей

13 Лекция 13. Управление на сетях связи

Литература