DE19719170C2

DE19719170C2 - Verfahren und Werkzeug zum Herstellen eines Telekommunikationsnetzes

Info

Publication number: DE19719170C2
Application number: DE19719170A
Authority: DE
Inventors: Tibor Cinkler
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1997-05-06
Filing date: 1997-05-06
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2017-05-07
Also published as: WO1998051045A8; AU7652498A; DE19719170A1; US6628618B1; WO1998051045A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zum Herstellen eines Telekommunikationsnetzwerks.

Ein Telekommunikationsnetz, das geeignet ist, Telekommunikationsdienste in einem großen geographischen Gebiet bereitzustellen, umfaßt eine Vielzahl von Knoten, die über das zu bedienende Gebiet verteilt sind. Zwischen einigen dieser Knoten sind Verbindungen, im folgenden "Links" genannt, vorgesehen, die es dem Netzwerk ermöglichen, zwischen den Knoten des Netzwerks Verbindungen aufzubauen, so daß jeder Teilnehmer, der mit irgendeinem gegebenen Knoten des Netzwerks verbunden ist, jeden anderen Teilnehmer, der mit einem anderen Knoten des Netzwerks verbunden ist, über solche "Links" zwischen benachbarten Knoten, erreichen kann. Der Begriff "Link" bezieht sich auf eine physikalische Verbindung zwischen einem Paar von Knoten, die keinen weiteren Knoten einschließt.

Um sicherzustellen, daß das Netzwerk allen Dienstanforderungen gerecht werden kann, ist es denkbar, einen individuellen Link zwischen jedem Paar von Knoten des Netzwerks vorzusehen. Wenn die Knotenzahl des Netzwerks N ist, ist die Gesamtanzahl von Links zwischen Knoten dann N(N- 1)/2. Während diese Lösung erlaubt, daß zwei Teilnehmer miteinander kommunizieren, ohne daß irgendwelche anderen Knoten als die Knoten involviert sind, an die die beiden Teilnehmer angeschlossen sind, würde ein Netzwerk mit einer größeren Anzahl von Knoten eine übermäßig hohe Anzahl von Links erfordern, was in enormen Kosten bei der Implementierung des Netzwerks resultiert.

Deshalb ermöglichen Netzwerke mit einer großen Anzahl von Knoten, daß Kommunikationspfade zwischen Paaren von Knoten aufgebaut werden, wobei die Pfade aus einer Vielzahl von Links zwischen einer entsprechenden Vielzahl von Knotenpaaren bestehen, so daß eine Kommunikation zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten von allen anderen Knoten entlang dem Pfad gehandhabt wird. Das heißt, ein Pfad besteht aus einem oder mehreren Links, die hintereinander geschaltet sind. Als direkte Konsequenz dieser Architektur müssen Links, die Paare von Knoten verbinden, im allgemeinen nicht nur das Kommunikationsaufkommen (traffic), das von den Teilnehmern erzeugt wird, die mit den Knoten verbunden sind, die von dem Link verbunden werden, tragen, sondern auch Kommunikationsaufkommen, das von Teilnehmern stammt, die mit Knoten verbunden sind, die über einen Pfad verbunden sind, der diesen Link benutzt. Während in diesem Netzwerk die Gesamtzahl von Links kleiner ist als in dem Fall, daß ein individueller Link zwischen jedem Paar von Knoten vorgesehen ist, d. h. dem vollständig verbundenen Fall, muß demgemäß die Kommunikationskapazität (traffic capacity) der implementierten Links eventuell höher sein als im vollständig verbundenen Fall.

Des weiteren muß ein Kommunikationsnetzwerk gewöhnlich ein hohes Maß an Zuverlässigkeit bieten. Um sicherzustellen, daß Kommunikation zwischen jedem Paar von Knoten selbst in dem Fall möglich ist, daß eine gegebene Anzahl von Links oder Knoten ausfallen, kann das Erfordernis bestehen, daß jedes Knotenpaar des Netzwerks miteinander über nicht weniger als eine gegebene Anzahl nichtverbundener (disjoint) Pfade verbunden ist, die um eines höher ist als die gegebene Anzahl von Links oder Knoten, die ausfallen dürfen, ohne daß der ordnungsgemäße Betrieb des Netzwerks beeinträchtigt wird. Hier wird eine Vielzahl von Pfaden, die dasselbe Knotenpaar verbinden, nichtverbunden genannt (disjoint), falls jeder Link der Vielzahl von Pfaden von keinem anderen dieser Pfade benutzt wird. Eine Vielzahl von Pfaden, die dasselbe Knotenpaar verbinden, wird Knoten-Nichtverbunden genannt, (node-disjoint), falls jeder Knoten entlang einem jeweiligen Pfad von keinem anderen dieser Pfade verwendet wird.

Der physische Aufwand, der für die Erstellung eines Links zwischen zwei Knoten erforderlich ist, hängt von den geographischen Umständen ab, und von der Kommunikationskapazität des Links. Ein Maß für den Aufwand, der für die Erstellung eines Links erforderlich ist, sind die Linkerstellungskosten. Allgemein sind die Linkerstellungskosten ein Linkattribut, das anzeigt, wieviel physischer Aufwand erforderlich ist für die Erstellung des jeweiligen Link.

Aus A. FARAGO u. a. m.: "An ATM NETWORK PLANNING MODEL" in Special Issue of Journal Communications, Band XLVII, Januar- Februar 1996, Budapest, ist ein ATM Netzwerk-Planungsmodell bekannt, um eine Netzwerktopologie mit virtuellem Pfad-Layout und mit den virtuellen Pfaden zugewiesenen Übertragungskapazitäten zu erstellen. Das Modell soll vorgegebene Konnektivitätsanforderungen erfüllen und eine Gesamtkostenfunktion minimieren. Aus dieser Entgegenhaltung ist es bekannt, daß die Gesamtkosten sich aus der Summe der Kosten für lokale Verbindungen zusammensetzen, wobei jede lokale Kostenfunktion einen Fixkostenanteil und einen kapazitätsabhängigen Anteil hat. Aus dieser Druckschrift ist es ausserdem bekannt, den jeweiligen Verbindungen Kosten zuzuweisen, wobei berücksichtigt wird, ob die Verbindung bereits existiert und lediglich die Übertragungskapazität verbessert werden muß oder ob die Verbindung neu zu erstellen ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Werkzeug zum Herstellen eines Telekommunikationsnetzwerks mit niedrigen Erstellungskosten im obigen Sinne anzugeben, wobei das Netzwerk den Kommunikationsbedarf (traffic demand) zwischen allen Knotenpaaren des Netzwerks erfüllt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst wie in Anspruch 1 und 14 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die vorliegende Erfindung berücksichtigt, daß in bezug auf die oben diskutierten Linkerstellungskosten, der kostenträchtigste Teil eines Links die physische Aktion des Verlegens von Kabel von einem Knoten zum anderen ist. Im Vergleich mit diesem Teil der Erstellungskosten ist der Teil der Erstellungskosten zum Bereitstellen eines erforderlichen Übertragungskapazität wesentlich kleiner. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung berücksichtigt dieses durch Auswählen eines Pfades mit den geringsten Erstellungskosten zunächst zwischen weniger entfernten Knotenpaaren mit höherem Kommunikationsbedarf, und dann zwischen entfernteren Knotenpaaren mit höherem Kommunikationsbedarf. Auf diese Weise werden die Pfade zwischen Knoten mit geringer Distanz und hohem Kommunikationsbedarf mit Schwerpunkt auf dem Anteil der Erstellungskosten optimiert, die auf die geographischen Umstände zurückzuführen sind. Außerdem berücksichtigt die Pfadauswahl, wenn ein neuer Pfad zur Erstellung zwischen einem gegebenen Paar von Knoten auszuwählen ist, gemäß der Erfindung die Verbindungen, die in einem früheren Schritt bereits zur Erstellung ausgewählt worden sind, um die Anteile der Linkerstellungskosten zu sparen, die aus der Notwendigkeit resultieren, die Verlegung von Kabeln vorzubereiten. Die vorliegende Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß, sobald solche Vorbereitungen einmal getroffen worden sind, im wesentlichen keine weiteren Anstrengungen dieser Art erforderlich sind, um die Kommunikationskapazität des Links zu erhöhen. Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Telekommunikationsnetzwerks mit geringen Erstellungskosten bereit, wobei die Knoten des Netzwerks, deren geographischen Ort und der Kommunikationsbedarf zwischen jedem Paar von Knoten des Netzwerks gegeben sind.

Der Betriff "äquivalente Distanz" oder "äquivalente Länge" berücksichtigt, daß die Entscheidung, ob ein Link mit einer gegebenen Kommunikationskapazität einfacher zu erstellen ist als ein anderer Link mit derselben Kommunikationskapazität, nicht nur von der Distanz zwischen den Knoten abhängt, sondern auch von den geographischen Umständen entlang des Link. Als Beispiel ist die äquivalente Distanz zwischen zwei Knoten, die mittels eines vergrabenen Links verbunden sind, größer als die äquivalente Distanz zwischen zwei Knoten in derselben gegebenen Entfernung, die mittels einer Mikrowellenstrecke verbunden werden können. In gleicher Weise ist die äquivalente Länge eines vergrabenen Link größer als für einen Link durch einen Tunnel oder ähnliches, der bereits vorhanden ist. Als eine einfache, jedoch weniger zu bevorzugende Näherung für die äquivalente Distanz zwischen zwei Knoten kann ihre geographische Distanz genommen werden. In derselben Weise kann die äquivalente Länge eines Link oder eines Pfades durch die physikalische Länge approximiert werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen eines Telekommunikationsnetzwerkes gemäß der vorliegenden Erfindung garantiert, daß die Erstellungskosten für das gesamte Netzwerk, d. h. die Summe aller Linkerstellungskosten, niedrig sind, und daß gleichzeitig jedes Knotenpaar über eine gegebene Anzahl von nichtverbundenen Pfaden verbunden ist, die gemäß den Zuverlässigkeitsanforderungen des Netzwerks vorbestimmt sind.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Einfluß des Kommunikationsbedarfs auf die Pfadauswahl reduziert, je größer die Anzahl von Pfaden wird, die bereits zur Erstellung ausgewählt worden sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden bei einem größeren Einfluß des Kommunikationsbedarfs auf die Auswahl von Pfaden zur Erstellung, hauptsächlich die bereits existierenden Links verwendet, um neue Pfade zu erstellen. Wenn der Einfluß des Kommunikationsbedarfs reduziert wird, werden kürzere Pfade zur Erstellung ausgewählt, und es werden mehr neue Links für die Erstellung ausgewählt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die Gesamterstellungskosten weiter optimiert durch den Versuch, ohne zur Erstellung ausgewählter Links auszukommen, für welche das Verhältnis ihrer effektiven Linklänge zu ihrer physikalischen Länge und ihrer Kommunikationskapazität, sehr hoch ist. Diese Optimierung wird erreicht durch Berechnen der Gesamtnetzwerkerstellungskosten für den Fall, daß dieser besondere Link nicht vorhanden ist, und an dessen Stelle zusätzliche Pfade erstellt worden sind, um den Kommunikationsbedarf und die Zuverlässigkeitsanforderungen des Netzwerks zu erfüllen, und abhängig von dem Vergleich der Gesamterstellungskosten mit den Erstellungskosten des Netzwerks, bei welchem der besondere Link implementiert ist, entweder Auswählen der zusätzlichen Pfade zur Erstellung, oder Beibehalten der Auswahl des besonderen Link für die Erstellung.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben:

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Telekommunikationsnetzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung beginnt mit der Bestimmung der geographischen Orte der Netzwerkvermittlungsknoten N1 bis Nm der m Knoten, die über das Netzwerk miteinander zu verbinden sind. Sobald diese geographischen Orte bestimmt sind, können äquivalente Distanzen D(i, j) zwischen allen Paaren Ni, Nj von Knoten basierend auf den relativen geographischen Orten der Knoten eines jeden Paares, bestimmt werden. Bevorzugt berücksichtigt die Bestimmung von äquivalenten Distanzen außerdem die Eigenschaften des geographischen Gebietes zwischen jedem Knotenpaar. Der Begriff "äquivalente Distanz" ist als Attribut zu verstehen, das jedem Knotenpaar zugewiesen ist. Dieses Attribut beschreibt beispielsweise die Länge von Kabeln, die zur Verbindung des jeweiligen Knotenpaares erforderlich sind. Als Approximation, ist die äquivalente Distanz gleich der geographischen Distanz zwischen den Knoten, unterscheidet sich jedoch in den meisten Fällen von der geographischen Distanz aufgrund der Tatsache, daß ein Link zwischen zwei Knoten sehr häufig nicht nur aus Kabeln besteht, sondern auch andere Übertragungseinrichtungen wie Mikrowellenverbindungen verwendet, die die Verlegung von Kabeln nicht erfordern. Für jeden Mikrowellenkonverter kann ein festes Kabellängenäquivalent von beispielsweise einem Kilometer angenommen werden, so daß die äquivalente Distanz zwischen einem Paar von Knoten die Summe der Länge der Teile des in Kabel implementierten Links ist, zuzüglich die äquivalente Länge eines jeden Mikrowellenkonverters entlang dem Link. Gemäß einer weiteren Verfeinerung der äquivalenten Distanz eines Link wird die Länge von Linkabschnitten, die in Kabel erstellt werden, das vergraben werden muß, mit einem Wichtungsfaktur größer als 1 gewichtet, während die Länge von Linkabschnitten, die als Überland-Kabelleitungen erstellt werden, zur äquivalenten Distanz mit dem Wichtungsfaktor 1 beiträgt.

Im nächsten Schritt werden Kommunikationskapazitäten T(i, j) zwischen allen Paaren von Knoten Ni, Nj basierend auf dem erwarteten Bedarf an Kommunikation bestimmt, die zwischen dem Knoten Ni und dem Knoten Nj getragen werden muß.

Dann wird für jedes Knotenpaar ein Ausdruck S(i, j) evaluiert, der eine streng monoton wachsende Funktion der äquivalenten Distanz D(i, j) des Paares Ni, Nj und eine streng monoton fallende Funktion der Kommunikationskapazität zwischen dem Knotenpaar Ni, Nj ist. Dieser Ausdruck S(i, j) wird zum Sortieren aller Knotenpaare Ni, Nj derart, daß S(i, j) nicht abnehmend ist, verwendet. Mit anderen Worten werden alle Knotenpaare so in einer Sequenz angeordnet, daß das erste Knotenpaar in dieser Sequenz ein kleinstes S(i, j) hat, und jedes nächste Knotenpaar ein S(i, j) hat, das nicht kleiner ist als das des vorangehenden Knotenpaares in der Sequenz.

Gemäß einem einfachen und zu bevorzugenden Ausführungsbeispiel kann der Ausdruck S(i, j) gewählt werden, zu

S(i, j) = D(i, j)/Dmax - α T(i, j)/Tmax.

In dieser Gleichung sind Dmax und Tmax Normalisierungskonstanten, und α ist eine reelle Zahl zwischen 0 und 1. Der Parameter α bestimmt den Einfluß der Kommunikationskapazität zwischen Knotenpaaren auf die Reihenfolge der Knotenpaare. Für größere Werte von α werden Knotenpaare mit starker Kommunikationsbelastung Knotenpaaren mit einer geringfügig kleineren äquivalenten Distanz und geringerer Kommunikationsbelastung vorgezogen. Andererseits wird für kleinere Werte von α, die Reihenfolge der Knotenpaare hauptsächlich durch die äquivalenten Distanzen D(i, j) bestimmt.

In einem nächsten Schritt wird für jedes Knotenpaar Ni, Nj in der Reihenfolge beginnend mit dem ersten Knotenpaar in der Sequenz, d. h. beginnend mit einem Knotenpaar mit dem kleinsten S(i, j), ein Pfad P zwischen den Knoten Ni und Nj des Paares zur Erstellung ausgewählt, wobei die Auswahl unter allen möglichen Pfaden vorgenommen wird, die jeweils aus wenigstens einem Link bestehen, der zwei Knoten verbindet. Die Auswahl unter all diesen Pfaden wird gemäß dem Kriterium vorgenommen, daß die Erstellung des Pfades mit dem geringsten Aufwand erreicht werden kann. Bevorzugt wird unter allen möglichen Pfaden zwischen dem Knotenpaar Ni, Nj derjenige Pfad P gewählt, für welchen

minimal ist, wobei k ein Index für alle Links des Pfades ist, n ein Index für alle Links des Pfades ist, die noch in keinem vorangehenden Schritt zur Erstellung ausgewählt worden sind; C1 eine positive reelle Zahl ist, die gemäß den Linkerstellungskosten pro Einheitsdistanz gewählt ist, C2 eine positive reelle Zahl ist, die gemäß Linkerstellungskosten pro Einheitsdistanz und pro Einheitskommunikationskapazität gewählt ist; Dk die äquivalente Distanz für das Knotenpaar ist, das zum Link k gehört, Dn die äquivalente Distanz für das Knotenpaar ist, das zum Link n gehört.

Diese Auswahl von Pfaden zwischen Knotenpaaren, die in der oben beschriebenen Reihenfolge geordnet sind, und so, daß C(P) minimal ist, resultiert darin, daß zuerst diejenigen Pfade zur Erstellung ausgewählt werden, die kurz sind, und die vergleichsweise viel Kommunikation tragen müssen. Außerdem nutzen alle in der oben erwähnten Reihenfolge verbundenen Knotenpaare den Vorteil von Links aus, die bereits in einem vorangehenden Schritt des Verbindens eines Knotenpaares zur Erstellung ausgewählt worden sind. Wenn ein Pfad bereits vorhandene Links verwendet, ist es ausreichend, die Kommunikationskapazität dieser Links zu vergrößern, während kein zusätzlicher Aufwand in bezug auf die Verlegung auf Kabeln und ähnliches erforderlich ist. Auf diese Weise resultiert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in einem effizienten und kostengünstigen Netzwerk.

Gemäß einer vorteilhaften Modifikation dieses Ausführungsbeispiels basiert die Auswahl von Pfaden zwischen Knotenpaaren, die wie oben beschrieben geordnet sind, und so, daß C(P) minimal ist, auf einem modifizierten Ausdruck C(P) wie folgt:

Durch Einführen eines Wichtungsfaktor β < 0 für jeden Link eines Pfades ist es möglich, künstlich den Teil der Linkerstellungskosten zu vergrößern oder zu verringern, die aus der Vergrößerung der Kommunikationskapazität des Links um T(i, j) entstehen. Standardmäßig ist β(k) = 1. Somit kann β verwendet werden zum Ausüben von Einfluß auf den Pfadauswahlmechanismus, ob die Auswahl neuer Links zur Erstellung oder die Vergrößerung der Kommunikationskapazität existierender Links zu bevorzugen ist. Der Wichtungsfaktor β kann bestimmt werden, für alle für die Auswahl in Betracht gezogenen Links gleich zu sein, oder kann individuell für jeden Link oder für Gruppen von Links bestimmt werden. Falls ein neuer, auszuwählender Pfad bevorzugt Links verwenden soll, die bereits zur Erstellung ausgewählt worden sind, wird β verkleinert. Wenn andererseits ein neuer, auszuwählender Pfad bevorzugt neue Links verwenden soll, die noch nicht zur Erstellung ausgewählt worden sind, wird β vergrößert, um den Auswahlmechanismus dadurch zu beeinflussen, daß suggeriert wird, daß Kommunikationskapazität teuer ist.

Bevorzugt wird nach jeder Auswahl eines Pfades zur Erstellung, β verringert. Falls die Auswahl von Pfaden mit β = 1 für jeden möglichen Link beginnt, und β nach jeder Auswahl eines Pfades verringert wird, schreitet die Auswahl von Links zur Erstellung so voran, daß zuerst eine Tendenz besteht, neue Links zu erstellen, was das Auftreten von vielen "Sackgassen", d. h. Knoten mit Grad Eins, in dem Netzwerk verhindert. Der Begriff "Grad eines Knoten" bezeichnet die Anzahl von Links, die mit dem Knoten verbunden sind. Mit steigender Anzahl von Pfaden in dem Netzwerk wird die Wachstumsgeschwindigkeit geringer, was in einem effizienten Netzwerk resultiert. Dieses kann weiter verfeinert werden durch spezielles Ändern von β(k) für spezielle Gruppen von Links, beispielsweise durch Vergrößern oder Konstanthalten von β für eine Gruppe von Links, die mit Knoten mit Grad Eins verbunden sind, während β für alle anderen Links, die nicht zu der Gruppe gehören, verringert wird.

Außerdem kann die Änderung des Wertes von β verwendet werden, die maximale Länge desjenigen Pfades eines Knotenpaares zu garantieren, der das kleinste C(P) aufweist. Wenn beispielsweise eine Bedingung erfüllt werden muß, daß der Pfad mit dem kleinsten C(P) eines Knotenpaares nicht länger sein darf als ein vorbestimmtes Vielfaches der geographischen Distanz zwischen den von dem Pfad verbundenen Knoten, und/oder nicht mehr als eine vorbestimmte Anzahl von Zwischenknoten verwenden darf, wird diese Bedingung am Ende der Prozedur zum Auswählen von Links zur Erstellung geprüft. Wenn diese Bedingung für wenigstens ein Kostenpaar nicht erfüllt wird, wird der Parameter β für alle Knotenpaare zeitweilig vergrößert, und es wird der Prozess des Auswählens von Links zur Erstellung für jedes Knotenpaar, das diese Bedingung nicht erfüllt, wiederholt. Wenn diese Bedingung für irgendeinen der Pfade nicht erfüllt ist, wird der Wert von β vergrößert, andernfalls wird er auf die Hälfte der Größe des vorangehenden Schrittes verringert. Diese Prozedur kann gemäß dem binären Suchalgorithmus fortgesetzt werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt das Verfahren zum Herstellen eines Telekommunikationsnetzwerks gemäß der Erfindung sicher, daß zwischen jedem Paar von Knoten wenigstens Q nichtverbundene Pfade existieren. Das Vorsehen von Q nichtverbundenen Pfaden zwischen jedem Paar von Knoten ermöglicht es dem Netzwerk, vollständigen Service zwischen allen Knoten bereitzustellen, selbst wenn Q-1 Links des Netzwerks ausfallen. Im folgenden wird das Vorsehen von Q nichtverbundenen Pfaden zwischen jedem Paar von Knoten Ni, Nj Q-Konnektivität des Netzwerks genannt. Um die Q-Konnektivität zu erreichen, werden die folgenden Schritte Q-1 mal wiederholt, wobei q ein Laufindex von zwei bis Q ist:

Für jeden Knoten Ni mit einem Grad kleiner als q wird ein dazugehöriger Knoten Nj ausgewählt, für welchen die äquivalente Distanz D(i, j) minimal ist.

Zwischen jedem Knoten Ni mit einem Grad kleiner als q und seinem dazugehörigen Knoten Nj, wird ein q-ter Pfad Pq unter allen möglichen Pfaden zwischen Ni und Nj, die keinen Link mit irgendwelchen anderen Pfaden zwischen Ni und Nj gemeinsam haben, die bereits in einem früheren Schritt ausgewählt worden sind, ausgewählt. Dieses stellt sicher, daß der q-te Pfad Pq nichtverbunden ist mit allen anderen Pfaden, die zwischen den Knoten Ni und Nj implementiert sind. Falls gewünscht, wird der q-te Pfad Pq unter allen möglichen Pfaden Ni und Nj ausgewählt, die Knoten-nichtverbunden sind, mit allen anderen Pfaden zwischen Ni und Nj, die bereits in einem vorangehenden Schritt ausgewählt worden sind, um die Zuverlässigkeit des Netzwerks auch im Hinblick auf Knotenausfälle weiter zu vergrößern. Außerdem wird diese Auswahl so vorgenommen, daß der q-te Pfad Pq mit dem geringsten Aufwand erstellt werden kann. Deshalb wird unter allen möglichen Pfaden, die mit allen bereits zwischen Ni und Nj erstellten Pfaden nicht verbunden sind, derjenige Pfad Pq als der q-te Pfad ausgewählt, für den der obige Ausdruck C(Pq) minimal ist.

Weil dieser Schritt für alle Knoten Ni mit einem Grad kleiner als q durchgeführt worden ist, hat nun jeder Knoten des Netzwerks einen Grad von wenigstens q.

Dann wird für alle verbleibenden Knotenpaare Ni, Nj ein q-ter Pfad Pq gemäß denselben Prinzipien, die gerade beschrieben wurden, ausgewählt, was in einem Netzwerk resultiert, das wenigstens q verbundene Pfade zwischen jedem Paar von Knoten Ni, Nj aufweist.

Die Wiederholung dieser Prozedur bis zu q = Q resultiert in einem Netzwerk mit der gewünschten Q-Konnektivität.

Gemäß einer bevorzugten Verfeinerung dieses Ausführungsbeispiels zum Herstellen der Q-Konnektivität werden die Paare von Knoten Ni mit Grad kleiner als q und ihren dazugehörigen Knoten Nj so sortiert, daß ein Ausdruck S₁(i, j) nicht abnehmend ist, wobei der Ausdruck S₁(i, j) eine streng monoton steigende Funktion der äquivalenten Distanz D(i, j) und eine streng monoton fallende Funktion der Kommunikationskapazität T(i, j) zwischen dem Knoten Ni und dem Knoten Nj ist. Die Auswahl des q-ten Pfades für jedes Paar von Knoten Ni mit einem Grad kleiner als q und dem dazugehörigen Knoten Nj wird dann in dieser Reihenfolge durchgeführt, beginnend mit einem Knotenpaar, für welches S₁ (i, j) minimal ist, wobei jedes Knotenpaar ein S₁(i, j) nicht kleiner als S₁(i, j) des zuvor verarbeiteten Knotenpaares hat.

Der Ausdruck S₁(i, j) kann gleich dem oben angegebenen S(i, j) sein.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Sortierprozeduren der Knotenpaare, d. h. entweder die Sortierprozedur, die in dem anfänglichen Prozess des Auswählens eines Pfades P zwischen jedem Knotenpaar verwendet wird, oder die Sortierprozedur zum Auswählen eines q-ten Pfades Pq zwischen jedem Knotenpaar oder beide Sortierprozeduren weiter verfeinert werden durch Berücksichtigung des Grades der Knoten eines jeden Paares. Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist S(i, j) und/oder S₁(i, j) eine strikt monoton steigende Funktion der äquivalenten Distanz D(i, j) und eine streng monoton fallende Funktion der Kommunikationskapazität T(i, j), und ist außerdem eine strikt monoton steigende Funktion der Anzahl K(i) von bereits in irgendeinem vorangehenden Schritt zur Erstellung ausgewählten Links, die mit dem Knoten Ni verbunden sind, und der Anzahl K(j) aller bereits zur Erstellung ausgewählter Links, die mit Knoten Nj verbunden sind.

Diese Modifikation von S(i, j) ist darin vorteilhaft, daß bevorzugt Knoten verbunden werden, die einen niedrigen Grad haben, beispielsweise solche Knoten, die eine "Sackgasse" in dem Netzwerk darstellen. Wenn solche Knoten zuerst verbunden werden, braucht eine geringere Anzahl von Links hinzugefügt zu werden, wenn die Q-Konnektivität des Netzwerks aufgebaut wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel zum Zuweisen von Kommunikationskapazitäten zu jedem der zur Erstellung ausgewählten Links beschrieben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird unter allen Pfaden, die zuvor zur Erstellung zwischen einem Paar von Knoten ausgewählt worden sind, ein kürzester Pfad gefunden, für welchen die Summe der Linklängen minimal ist. Auf diese Weise wird für jedes Paar von Knoten ein Pfad mit minimaler Länge gefunden. Diese Pfade werden Primärpfade genannt.

Die Zuweisung von Primärlink-Kommunikationskapazitäten geschieht wie folgt. Für jedes Paar von Knoten Ni, Nj ist die zwischen diesen Knoten zu tragende Kommunikationskapazität bekannt. Die Zuweisung der Linkkommunikationskapazitäten beginnt damit, daß jede Linkkommunikationskapazität Null ist. Dann wird die Kommunikationskapazität eines jeden Link, die den Pfad zwischen den Knoten Ni und Nj bilden, um die Kommunikationskapazität zwischen diesen Knoten erhöht. Dieser Schritt wird für die jeweiligen Primärpfade aller Knotenpaare wiederholt, was in Primärlink-Kommunikationskapazitäten für jeden zu erstellenden Link in dem Netzwerk resultiert.

Bevorzugt werden in einer nächsten Sequenz von Schritten Sicherheitskapazitäten (Backup-Kapazitäten) für jeden zu implementierenden Link berechnet, um ausreichende Kommunikationskapazität für den Fall bereitzustellen, daß einer oder mehrere Links in dem Netzwerk ausfällt. In dem nun erhaltenen Netz kann ein Link von mehr als einem Pfad verwendet werden. Jeder Pfad gehört zu einem Knotenpaar. Außerdem gehören verschiedene Pfade, die wenigstens einen Link gemeinsam haben, notwendigerweise zu verschiedenen Knotenpaaren. Dieses ergibt sich aus der Tatsache, daß alle Pfade, die dasselbe Paar von Knoten verbinden, nichtverbunden oder sogar Knoten-nichtverbunden sind, wie oben erläutert wurde. Als Konsequenz ergibt sich, daß falls ein Link zerstört wird, dann alle Knotenpaare mit einem Primärpfad, der diesen Link benutzt, auf einen Sekundärpfad zurückgreifen müssen. Dann kann es geschehen, daß ein Link von mehr als einem Sekundärpfad verwendet wird.

Um Sicherheits-Kommunikationskapazitäten einem jedem Link eines Netzwerks zuzuweisen, wird zuerst ein Sicherheits- Kommunikationskapazitätswert B eines jeden Link auf Null gesetzt. Dann werden für jeden, zur Erstellung ausgewählten Link des Netzwerks die folgenden Schritte durchgeführt.

Für jedes Paar von Knoten Ni, Nj, die mit einem Primärpfad verbunden sind, der den Link verwendet, wird ein jeweiliger Sekundärpfad, bevorzugt ein zweitkürzester Pfad, gefunden, für den die Summe seiner Linklängen (bevorzugt, äquivalente Linklängen) minimal ist, wenn der Primärpfad außer acht gelassen wird. Dann wird für jeden Link aller so gefundenen zweitkürzesten Pfade eine jeweilige Kommunikationskapazitätssumme TC berechnet, durch Aufsummieren der Kommunikationskapazitäten aller Sekundärpfade, die den jeweiligen Link benutzen. Es wird angemerkt, daß die Kommunikationskapazität eines Sekundärpfades gleich der Kommunikationskapazität seines Primärpfades ist, denn der Sekundärpfad muß in der Lage sein, das Kommunikationsvolumen, das normalerweise von dem Primärpfad zwischen Knoten Ni und Nj abgewickelt wird, zu übernehmen. Wenn der Sicherheitskommunikations-Kapazitätswert B des jeweiligen Link kleiner ist als TC des jeweiligen Link, wird B des jeweiligen Link auf TC dieses Link gesetzt.

Diese Zuweisung von Sicherheitskapazitäten kann in ähnlicher Weise für alle Sekundärpfade bis zu dem Q-ten Pfad durchgeführt werden, um die Situation zu berücksichtigen, daß Q-1 Links des Netzwerks ausfallen.

Nachdem die Sicherheitskapazität eines jeden Link gefunden worden ist, ist dann die erforderliche Kommunikationskapazität Tk eines jeden Link die Summe seiner Primärlinkkapazität und seiner Sicherheitskapazität. Die Primärlinkkapazität ist die Summe der Kommunikationskapazität aller Primärpfade, die über den Link gehen.

Nachdem alle Links gefunden sind, die zu erstellen sind, und die Kommunikationskapazität eines jeden dieser Links, kann die Effizienz des Gesamtnetzwerks basierend auf der Anzahl von Links, der äquivalenten Linklänge (äquivalenten Distanz) und der Kommunikationskapazität eines jeden Link geschätzt werden. In diesem Stadium kann eine Sequenz von Schritten durchgeführt werden, um ineffiziente Links zu eliminieren, die das Netzwerk teurer machen als nötig.

Für jeden zur Erstellung ausgewählten Link wird ein Koeffizient η proportional zum Linkerstellungsaufwand LC des Link und umgekehrt proportional zur physikalischen Länge des Link und zur Linkkommunikationskapazität berechnet. Die Summe von LC(k) über alle Links k, die zur Erstellung ausgewählt sind, wird Netzwerkerstellungsaufwand NC genannt. Der Linkerstellungsaufwand LC(k) eines Link k ist gleich C2.Dk.Tk + C1.Dk. C2, Dk, Tk dieser Gleichung sind oben im Zusammenhang mit dem Ausdruck C(P) erläutert.

Um zu prüfen, ob der Netzwerkstellungsaufwand NC weiter reduziert werden kann, können die folgenden Schritte für einen Link mit den höchsten Koeffizienten η geführt werden, d. h. für einen Link mit der geringsten Effizienz: Zuerst werden alle zur Erstellung ausgewählten Pfade bestimmt, die diesen Link benutzen. Für jeden dieser Pfade wird ein zusätzlicher Pfad zwischen demselben Knotenpaar zur Erstellung ausgewählt, welcher zusätzliche Pfad keinen Link oder Knoten mit irgendeinem anderen Pfad dieses Knotenpaares gemeinsam hat. Dann werden Linkkommunikationskapazitäten für die Links aller Pfade zwischen den Knoten Ni und Nj einschließlich des zusätzlichen Pfades, aber ausschließlich des Pfades, der den Link mit den höchsten Koeffizienten η enthält, berechnet, wie oben bezüglich des Primärpfades und des Sekundarpfades beschrieben wurde.

In diesem Stadium wird ein Netzwerk erhalten, das den Link mit dem höchsten Koeffizienten η nicht länger enthält, und das in der Lage ist, den Kommunikationsbedarf zwischen allen Knotenpaaren zu befriedigen, und Q-Konnektivität bereitstellt.

Der Netzwerkerstellungsaufwand NC dieses neuen Netzwerkes wird berechnet und mit NC des vorangehenden Netzwerks verglichen. Wenn der Erstellungsaufwand für das neue Netzwerk kleiner ist als für das vorangehende Netzwerk, ist das neue Netzwerk effizienter als das vorangehende Netzwerk. Diese Prozedur zur Verbesserung der Netzwerkeffizienz kann für das neue Netzwerk basierend auf dem am wenigsten effizienten Link des neuen Netzwerks wiederholt werden, bis keine weitere Verbesserung erhalten wird.

Ein Telekommunikationsnetzwerk-Konstruktionswerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Zentralverarbeitungseinheit zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens. Es umfaßt ferner einen Programmspeicher und einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff zum Speichern von Daten betreffend die äquivalenten Distanzen zwischen der Vielzahl von Knotenpaaren des Telekommunikationsnetzwerks, und betreffend die Kommunikationskapazitäten, die zwischen jedem dieser Knotenpaare bereitzustellen sind. Eine Tastatur oder andere Eingabeeinrichtung ist vorgesehen, um diese Daten in den Speicher einzugeben.

Die Zentralverarbeitungseinheit verarbeitet diese Daten gemäß dem oben beschriebenen Verfahren und gibt Knotenpaare aus, die über einen Link zu verbinden sind. Bevorzugt werden auch die erforderlichen Kommunikationskapazitäten Tk eines jeden dieser Links von der Zentralverarbeitungseinheit ausgegeben. Die Ausgabe dieser Daten kann durchgeführt werden durch Anzeigen der mittels eines Link zu verbindenden Knotenpaare, bevorzugt zusammen mit den dazugehörigen Linkkommunikationskapazitäten Tk, auf einem Anzeigeschirm oder durch Ausdrucken dieser Daten auf Papier.

Diese Daten werden dann zur Erstellung ausgewählter Links hergenommen, wodurch ein betriebsbereites Telekommunikationsnetz erhalten wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerks, mit den Schritten:

a) Bestimmen von geographischen Orten von m Netzwerkvermittlungsknoten N1 bis Nm, wobei m eine positive ganze Zahl ist;
b) Bestimmen von äquivalenten Distanzen D(i, j) zwischen allen Paaren Ni, Nj der Knoten basierend auf den relativen geographischen Orten dieser Knoten Ni, Nj eines jeden Paares, wobei i, j ∈ {1, . . ., m} und i ≠ j;
c) Bestimmen von Kommunikationskapazitäten T(i, j) zwischen allen Paaren von Knoten Ni, Nj basierend auf dem erwarteten Kommunikationsvolumen, das zwischen dem Knoten Ni und dem Knoten Nj zu tragen ist;
d) für alle Knotenpaare Ni, Nj Evaluieren eines Ausdruckes S(i, j), der eine streng monoton steigende Funktion von D(i, j) und eine streng monoton fallende Funktion von T(i, j) ist;
e) Ordnen der Knotenpaare Ni, Nj so, daß S(i, j) nicht abnimmt; und
f) Auswählen in der Reihenfolge für jedes Knotenpaar Ni, Nj unter allen möglichen Pfaden, die jeweils aus wenigstens einem Link bestehen, der zwei Knoten verbindet, eines Pfades P zwischen Knoten Ni und Nj zur Erstellung, für welchen Pfad P
minimal ist,
wobei
k ein Index für alle Links des Pfades ist,
n ein Index für alle Links des Pfades ist, die noch in keinem vorangehenden Schritt zur Erstellung ausgewählt worden sind,
C1 eine positive reelle Zahl ist, die gemäß Linkerstellungskosten pro Distanzeinheit gewählt ist,
C2 eine positive reelle Zahl ist, die gemäß Linkerstellungskosten pro Distanzeinheit und pro Kommunikationskapazitätseinheit gewählt ist;
Dk bzw. Dn die äquivalente Distanz für das Paar von Knoten ist, das mit Link k bzw. Link n assoziiert ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunkationsnetzwerks nach Anspruch 1, mit den folgenden Schritten, die für q = 2 bis Q wiederholt werden, wobei Q eine positive ganze Zahl größer als Eins und vorbestimmt gemäß der Konnektivität des Telekommunikationsnetzwerks ist:

a) für jeden Knoten Ni mit einem Grad kleiner als q Auswählen eines dazugehörigen Knotens Nj, für welchen D(i, j) minimal ist;
b) für jedes Paar von Knoten Ni, Nj des Schrittes g) Auswählen eines q-ten Pfades Pq zur Erstellung unter allen möglichen Pfaden zwischen Ni und Nj, die keinen Link gemeinsam haben mit irgendeinem anderen Pfad zwischen Ni und Nj, der bereits in einem vorangehenden Schritt gewählt worden ist, für welchen Pfad Pq der Ausdruck C(Pq) minimal ist;
c) für alle verbleibenden Knotenpaare Ni, Nj Auswählen eines q-ten Pfades Pq zur Erstellung unter allen möglichen Pfaden Ni und Nj, die wenigstens eine der Bedingungen erfüllen,
- 1. keinen Link gemeinsam zu haben mit irgendeinem anderen Pfad zwischen Ni und Nj, der bereits zur Erstellung in einem vorangehenden Schritt gewählt worden ist, für welchen Pfad der Ausdruck C(Pq) minimal ist,
- 2. keinen Knoten gemeinsam zu haben mit irgendeinem anderen Pfad zwischen Ni und Nj, der in einem vorangehenden Schritt bereits zur Erstellung ausgewählt worden ist, für welchen Pfad der Ausdruck C(Pq) minimal ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerks nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Schritte

1. Sortieren der Paare von Knoten Ni, Nj des Schrittes g) in einer Reihenfolge so, daß S(i, j) nicht abnimmt, wobei S(i, j) eine reelle Zahl zwischen 0 und 1 ist;
2. wobei Schritt h) in der Reihenfolge gemäß Schritt g1) durchgeführt wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerks gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Verringerns von C2 nach der Auswahl eines Pfades zur Erstellung.

5. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerkes gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte, die für jedes Paar von Knoten Ni, Nj durchgeführt werden:

a) unter allen zur Erstellung ausgewählten Pfaden zwischen Ni und Nj, Finden eines Primärpfades, für welchen die Summe über alle seine Links der Linklängen minimal ist; und
b) Vergrößern eines Kommunikationskapazitätswertes eines jeden Link des Pfades um die in Schritt c) bestimmte Kommunikationskapazität.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Schritte, die für jeden zur Erstellung ausgewählten Link des Netzwerks durchgeführt werden:

a) unter allen Pfaden, die ein jeweiliges Knotenpaar Ni, Nj, das mittels eines Primärpfades, der den Link umfaßt, verbinden, Finden eines Sekundärpfades außer dem in Schritt j gefundenen Primärpfad, für welchen die Summe über alle seine Links der Linklängen minimal ist; und
b) für jeden Link der Sekundärpfade zwischen allen Knotenpaaren Ni, Nj, die die Knotenpaarbedingung des Schrittes l) erfüllen, Erhalten der Summe TC der Kommunikationskapazitäten aller Sekundärpfade, die ihn enthalten; wobei die Kommunikationskapazität eines Sekundärpfades gleich der Kommunikationskapazität seines dazugehörigen Primärpfades ist;
c) Setzen seines Sicherheitskommunikations- Kapazitätswertes B auf das Maximum der Summe TC und eines Sicherheitskommunikations-Kapazitätswertes B, der ihm in einem vorangehenden Schritt zugewiesen wurde; und
d) Erhalten seiner Link-Kommunikationskapazität Tk als die Summe der in Schritt k) erhaltenen Primär-Link- Kommunikationskapazität und seiner Sicherheitskapazität B.

7. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerkes nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äquivalente Distanz zwischen einem Paar von Knoten proportional zur geographischen Distanz zwischen den Knoten bestimmt wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerks gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äquivalente Distanz zwischen einem Paar von Knoten proportional zu Kosten bestimmt wird, die für die Erstellung eines Links mit Einheitskommunikationskapazität zwischen dem Paar von Knoten entstehen.

9. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerks gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
S(i, j) = D(i, j)/Dmax - α T(i, j)/Tmax;
wobei α eine reelle Zahl zwischen 0 und 1 ist und Dmax, Tmax Normalisierungskonstanten sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß S(i, j) eine streng monoton steigende Funktion der Anzahl K(i) von bereits zur Erstellung ausgewählten Links, die mit Knoten Ni verbunden sind, und der Anzahl K(j) von Links, die bereits zur Erstellung ausgewählt und mit Knoten Nj verbunden sind, ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerks nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
S(i, j) = D(i, j)/Dmax - α T(i, j)/Tmax + K(i) + K(j).

12. Verfahren zur Herstellung eines Telekommunikationsnetzwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch

a) für jeden zur Erstellung ausgewählten Link k Berechnen eines Koeffizienten η proportional zu einem Linkerstellungsaufwand LC(k) = C2.Dk.Tk + C1.Dk und umgekehrt proportional zur physikalischen Linklänge und zur Kommunikationskapazität Tk des Link;
b) Berechnen der Summe ΣLC von LC(k) über alle Links k, die zur Erstellung ausgewählt sind;
c) für einen Link mit dem höchsten Koeffizienten η Durchführen der Schritte
d) Bestimmen von zur Erstellung ausgewählten Pfaden zwischen Knotenpaaren Ni, Nj, welche Pfade den jeweiligen Link verwenden;
e) für jeden in Schritt p1) bestimmten Pfad Auswählen eines zusätzlichen Pfades zur Erstellung zwischen den Knoten Ni, Nj des in Schritt p1) bestimmten Pfades, wobei der zusätzliche Pfad keinen Link gemeinsam hat mit dem in Schritt p1) bestimmten Pfad;
f) Berechnen von Kommunikationskapazitäten gemäß den Schritten j) bis m) für die Links aller Pfade zwischen den Knoten Ni und Nj einschließlich des zusätzlichen Pfades, jedoch ausschließlich des in Schritt p1) bestimmten Pfades;
g) Berechnen der Summe ΣLC von LC(k) über alle zur Erstellung ausgewählten Links k des Netzwerks;
h) Vergleichen der in Schritt o) erhaltenen Summe mit der in Schritt p4) erhaltenen Summe; und
i) wenn die in Schritt p5) erhaltene Summe kleiner ist als die in Schritt o) erhaltene Summe, Verwerfen der Auswahl des Links des Schrittes p), andernfalls Verwerfen der Auswahl des zusätzlichen Pfades des Schrittes p2) zur Erstellung.

13. Verfahren zum Erzeugen eines Telekommunikationsnetzwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Erstellens der Links eines jeden Pfades, der zur Erstellung ausgewählt worden ist.

14. Werkzeug zum Erzeugen eines Telekommunikationsnetzwerks, mit

1. Einrichtungen zum Eingeben und Speichern von Daten bezüglich äquivalenter Distanzen zwischen einer Vielzahl von Paaren von Vermittlungsknoten eines Telekommunikationsnetzwerks, und Kommunikationskapazitäten, die zwischen jedem Paar von Knoten bereitzustellen sind;
2. Einrichtungen einschließlich einer Zentralverarbeitungseinheit eines Arbeitsspeichers und eines Nur-Lesespeichers, die angepaßt sind, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen; und
3. Einrichtungen zum Ausgeben von Paaren von Knoten, die zur Verbindung mittels eines Link ausgewählt worden sind, in Übereinstimmung mit den zur Erstellung ausgewählten Pfaden.