RU2815819C1

RU2815819C1 - Способ динамической реконфигурации сети связи

Info

Publication number: RU2815819C1
Application number: RU2023100552A
Authority: RU
Inventors: Иван Иванович Горай; Дмитрий Анатольевич Журавлёв; Елена Владимировна Калайтанова
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2024-03-22

Abstract

Изобретение относится к области сетей связи. Техническим результатом является повышение живучести сети связи за счет формирования и реконфигурации ее структуры, обеспечивая при этом минимальный расход линейных средств. В способе определяют координаты размещения узлов связи, рассчитывают расстояния между узлами связи, формируют матрицу расстояний между узлами связи, проектируют кольцевую структуру сети связи по критерию минимальной суммарной длины всех линий, причем каждый узел в кольцевой структуре соединяют с другим ближайшим к нему узлом только одной линией связи, определяют в кольцевой структуре сети связи узел связи разветвления k_i с помощью нахождения минимальной медианы графа, проектируют радиально-узловую структуру сети связи, для чего от узла связи разветвления k_i прокладывают линии связи к другим узлам связи кольцевой структуры сети, коммутируют два и более одномерных маршрутов в многомерный маршрут передачи сообщений по критерию минимальной его длины, устанавливают временные промежутки оценки живучести, оценивают живучесть сети связи D≥D_тp, где D и D_тр - оцененная и требуемая величины живучести сети связи соответственно, реконфигурируют сеть связи при D < D_тp, для чего раскоммутируют многомерный маршрут передачи сообщений и рассекают кольцевую структуру сети связи секущей плоскостью на две подсети, рассчитывают во второй образуемой подсети узел связи разветвления к_т, к которому подключают линии связи радиально-узловой сети, находящиеся во второй подсети, соединяют узлы разветвления подсетей и к_т между собой и коммутируют многомерный маршрут передачи сообщений заново. 17 ил.

Description

Изобретение относится к области сетей связи и может быть использовано при проектировании и построении новых или совершенствовании существующих сетей связи.

Известен способ моделирования процессов обеспечения технической готовности сетей связи при технической эксплуатации и система для его реализации (См. Патент РФ №2336566, G06N 1/00, опубл. 20.10.2008, бюл. №29), заключающийся в определении схемотехнических характеристик элементов сети связи, установлении их взаимосвязи, описании структуры сети связи, разделении всех связей на основные и резервные, задания произвольных комбинаций повреждений элементов сети связи, определении значения показателя аварийности состояния связей между элементами сети связи, моделировании процесса обеспечения технической готовности при эксплуатации сети связи, имитации различных видов отказов, повреждений и сбоев основных элементов сети связи, замещении поврежденных связей резервными, определении значения показателя восстановления работоспособности сети связи, осуществлении сбора статистики, прогноза технического состояния основных элементов сети связи и расчете основных показателей функционирования сетей связи.

Недостатком способа является относительно низкая живучесть сети связи, так как реконфигурацию сети связи выполняют без учета требований к ее живучести, требований к качеству каналов связи и изменений пропускной способности в маршрутах передачи.

Известен способ обеспечения устойчивости сетей связи в условиях внешних деструктивных воздействий (См. Патент RU 2379753 С1, МПК G06F 21/20, G06N 3/02, опубликовано 20.01.2010, бюл. №2), заключается в контроле внешних деструктивных воздействий, оценивании пропускной способности и, путем распределения доступного ресурса между абонентами, обеспечении своевременности предоставления информационных услуг.

Недостатком указанного способа является относительно низкая живучесть сети связи, так как, распределяется только доступный ресурс между абонентами сети, при этом структура сети остается неизменной, что делает ее менее живучей в условиях воздействия внешних деструктивных воздействий.

Известен способ управления структурой инфокоммуникационной системы (См. Патент RU 2642380 С2, МПК G06F 9/00, G06F 15/177, опубликовано 24.01.2018, бюл. №3), заключается в создании имитационной модели инфокоммуникационной системы, подготовку вариантов структурного построения сетей совместно с данными о нагрузках, моделировании на имитационной модели вариантов структурного построения сетей, получения оценок параметров сетей по каждому варианту, выбора наиболее целесообразного варианта структуры сети по комплексу оценочных показателей и оценке показателей качества, реализации выбранной структуры сети.

Недостатком указанного способа является относительно низкая живучесть сети связи, так как, оценка ее структуры осуществляется только в статических условиях и не учитывает динамику функционирования сети и изменения ее структуры и связности.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к заявленному изобретению является способ динамической реконфигурации сетей связи с многомерными маршрутами передачи сообщений (См. Патент РФ №2522851, С2. кл. H04W 40/00, опубл. 20.07.2014 г.). Известный способ заключается в том, что в каждом из узлов связи осуществляют контроль качества входящих в узел связи каналов связи, результаты контроля качества каналов связи передают на все узлы связи сети связи, в зависимости от качества канала связи оценивают пропускную способность канала связи, затем определяют пропускную способность одномерных маршрутов передачи сообщений в зависимости от пропускной способности входящих в этот одномерный маршрут каналов связи, далее формируют многомерный маршрут передачи сообщений, по которому передают сообщения, причем вначале в многомерный маршрут включают одномерные маршруты передачи с наибольшей пропускной способностью, затем - одномерные маршруты передачи с меньшей, следующей по величине пропускной способностью и так далее, до тех пор, пока пропускная способность многомерного маршрута передачи не обеспечит передачу сообщений в заданное время с требуемой вероятностью доведения сообщения, и далее передают сообщения по многомерному маршруту передачи, в узлах связи, которые представляют собой источники сообщений, по результатам контроля качества канала связи оценивают также тренд изменения пропускной способности каналов связи, затем оценивают тренд изменения пропускной способности одномерных маршрутов передачи и далее оценивают тренд изменения пропускной способности многомерных маршрутов передачи, при уменьшении пропускной способности многомерного маршрута передачи ниже предельно допустимого значения в многомерный маршрут добавляют одномерные маршруты передачи, начиная с оставшихся одномерных маршрутов передачи с наибольшей пропускной способностью, и так до тех пор, пока пропускная способность многомерного маршрута передачи не достигнет необходимого значения с учетом тренда изменения пропускной способности многомерного маршрута, при формировании одномерных маршрутов передачи при равной пропускной способности каналов связи, сначала выбирают менее загруженные каналы связи, а затем более загруженные каналы связи, при неравной пропускной способности сначала выбирают каналы связи, у которых пропускная способность с учетом их загрузки будет больше, затем выбирают каналы связи с меньшей пропускной способностью с учетом их загрузки.

Недостатком указанного способа является относительно низкая живучесть сети связи, так как при формировании многомерных маршрутов не учитывается изменение связности ее элементов в структуре в случае выхода из строя узлов и линий связи и живучесть ее структуры в целом.

Техническим результатом при использовании заявленного способа динамической реконфигурации сети связи, является повышение ее живучести за счет формирования и реконфигурации ее структуры.

Технический результат достигается тем, что в известном способе динамической реконфигурации сети связи, заключающемся в том, что в каждом из узлов контролируют качество входящих в узел каналов связи. Оценивают пропускную способность канала связи. Определяют пропускную способность одномерных маршрутов передачи сообщений, состоящих из множества каналов между двумя инцидентными узлами связи. Коммутируют два и более одномерных маршрутов в многомерный маршрут передачи сообщений. Передают сообщения по многомерному маршруту передачи. Дополнительно предварительно определяют координаты размещения узлов связи, рассчитывают расстояния между узлами связи, формируют матрицу расстояний между узлами связи. Проектируют кольцевую структуру сети связи по критерию минимальной суммарной длины всех линий, причем каждый узел в кольцевой структуре соединяют с другим ближайшим к нему узлом только одной линией связи. Определяют в кольцевой структуре сети связи узел связи разветвления k_i с помощью нахождения минимальной медианы графа. Проектируют радиально-узловую структуру сети связи, для чего от узла связи разветвления k_i прокладывают линии связи к другим узлам связи кольцевой структуры сети. Коммутируют два и более одномерных маршрутов в многомерный маршрут передачи сообщений по критерию минимальной его длины. Устанавливают временные промежутки оценки живучести, оценивают живучесть сети связи D ≥ D_тp, где D и D_тр - оцененная и требуемая величина живучести сети связи соответственно. Реконфигурируют сеть связи при D < D_тp, для чего раскоммутируют многомерный маршрут передачи сообщений и рассекают кольцевую структуру сети связи секущей плоскостью на две подсети. Рассчитывают во второй образуемой подсети узел связи разветвления k_m, к которому подключают линии связи радиально-узловой сети, находящиеся во второй подсети. Соединяют узлы разветвления подсетей k_i, и k_m между собой и коммутируют многомерный маршрут передачи сообщений заново.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе реализована возможность реконфигурации структуры сети на структуру, обеспечивающую требуемую живучесть при минимальном расходе линейных средств, чем и достигается повышение ее живучести.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:

фиг.1 - типовые структуры сетей связи;

фиг.2 - размещение узлов связи;

фиг. 3 - формирование кольцевой структуры сети связи;

фиг.4 - структура сети связи, сформированная на основе кольцевой и радиально-узловой структур;

фиг. 5 - разделение структуры сети связи на подсети;

фиг.6 - деление структуры сети на подсети;

фиг.7 - пример структуры сети связи;

фиг.8 - пример формирования структуры сети связи на основе кольцевой и радиально-узловой структур;

фиг. 9 - пример реконфигурации структуры сети связи;

фиг. 10 - оценка живучести структуры сети связи при удалении УС №5 и инцидентных ему ребер без применения предлагаемого способа;

фиг. 11 - оценка живучести структуры сети связи при удалении УС №8 и инцидентных ему ребер без применения предлагаемого способа;

фиг. 12 - оценка живучести структуры сети связи при удалении УС №10 и инцидентных ему ребер без применения предлагаемого способа;

фиг. 13 - оценка живучести структуры сети связи при удалении УС №10 и инцидентных ему ребер при применении предлагаемого способа;

фиг. 14 - оценка живучести структуры сети связи при удалении УС №4 и инцидентных ему ребер при применении предлагаемого способа;

фиг. 15 - оценка живучести структуры сети связи при удалении УС №1 и инцидентных ему ребер при применении предлагаемого способа;

фиг. 16 - оценка живучести структуры сети связи при удалении УС №7 и инцидентных ему ребер при применении предлагаемого способа;

фиг. 17 - оценка живучести структуры сети связи при удалении УС №3 и инцидентных ему ребер при применении предлагаемого способа;

Существует несколько вариантов построения сети (фиг.1): полносвязное, узловое и радиальное. Полносвязное соединение элементов сети обладает наибольшей живучестью, но и в то же время максимальным расходом линейных средств на построение структуры сети. Радиальное соединение элементов сети характеризуется минимальным расходом линейных средств на построение структуры сети и наименьшей живучестью [Портнов Э. Л. Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные линии связи. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2017. - 544 с; ил.].

Формирование структуры сети и ее динамическая реконфигурация позволяют обеспечить требуемую живучесть при минимальном расходе линейных средств.

Определяют географические координаты (B, L, H) Q_i, Q_j ∈ Q_n узлов связи (фиг.2) в геодезической системе координат [ГОСТ 32453-2013 Межгосударственный стандарт. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек]. Определить координаты размещения узлов связи можно с помощью навигационной аппаратуры потребителя, например «Грот-В» 14Ц821 [Приемоиндикатор возимый «Грот-В» индекс 14Ц821. Руководство по эксплуатации ЦДКТ.464316.448 РЭ].

Рассчитывают расстояния между Q_n узлами связи в сети. Производят пересчет геодезических координат каждого из узлов связи в геоцентрическую декартовую систему координат 0XYZ, центр которой совмещен с центром масс Земли, ось 0Z направлена по оси вращения Земли в сторону Северного полюса, ось ОХ лежит в плоскости земного экватора и связана с Гринвичским меридианом G, ось 07 дополняет систему координат до правой [Перов А. И. Основы построения спутниковых радионавигационных систем. Учеб. пособие для вузов. - М: Радиотехника, 2012. 240 с: ил.]. В СРНС ГЛОНАСС геоцентрическая подвижная система координат определена как ПЗ-90, а в СРНС GPS - WGS-84 [ГОСТ 32453-2013 Межгосударственный стандарт. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек].

Рассчитывают геоцентрические координаты Q_i и Q_j

Рассчитывают расстояния между Q_i и Q_j

Формируют матрицу расстояний между узлами связи [Филлипс Д., Гарсиа-Диас А. Методы анализа сетей: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 496 с, ил. стр. 18]

Проектируют кольцевую структуру сети связи по критерию минимальной суммарной длины всех линий, причем каждый узел в кольцевой структуре соединяют с другим ближайшим к нему узлом только одной линией связи (фиг.3). Проектирование кольцевой структуры выполняют различными известными способами, например решением задачи Коммивояжер [Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 416 с, ил.].

Определяют в кольцевой структуре сети связи узел связи разветвления известными способами, например нахождением минимальной медианы графа [Кристофидиес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978. Ху Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях. - М.: Мир, 1974].

Проектируют радиально-узловую структуру сети связи, для чего внутри кольцевой структуры от узла связи разветвления прокладывают линии связи к другим узлам связи. Структура спроектированной сети связи представлена на фиг.4.

Коммутируют два и более одномерных маршрутов в многомерный маршрут передачи сообщений по критерию минимальной его длины, путем расчета кратчайшего пути между корреспондирующими узлами связи, например с помощью алгоритма Дейкстры [Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах: Пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 323 с, ил. стр. 45].

Одномерным маршрутом передачи в сети связи называют множество каналов связи, образованных оборудованием связи, между двумя инцидентными узлами связи.

Многомерным маршрутом передачи сообщения в сети связи называют два и более соединения одномерных независимых маршрутов, по которым передают сообщение.

Устанавливают временные промежутки оценки живучести. Временные промежутки, могут быть определены исходя из среднего времени наработки на отказ элемента сети связи, которые определяют в соответствии с паспортными данными на оборудование и кабели связи. Они также могут быть вычислены по среднему времени наработки на отказ и времени восстановления, которые приводятся изготовителем в технической документации на устанавливаемое на узлах связи оборудование [ГОСТ Р 53111 - 2008. Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки. - М.: Стандартинформ, 2009 г. - 19 с], например с использованием программно реализованных секундомеров.

Оценивают живучесть сети связи D ≥ D_тр, где D и D_тр - оцененная и требуемая величина живучести сети. Оценку живучести сети связи оценивают подсчетом числа остовных деревьев с помощью матрицы Кирхгофа [Графы и алгоритмы. Алексеев В. Е., Таланов А. В. Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2016 - 154 с] по суммарному числу остовных деревьев.

Реконфигурируют сеть связи при D < D_тр, для чего рассекают кольцевую структуру сети связи (фиг.4) секущей плоскостью на две подсети (фиг.5).

Для деления структуры сети (фиг.4) на две подсети среди ребер, инцидентных узлу связи k_i, определяют такой минимальный по длине суммарный их состав, в который входит N / k- 1 число ребер при k = 2, 3, операция выполняется с точностью до единицы. Данные ребра в матрице |L| удаляются. Удаленные ребра составляют первую подсеть. Из оставшихся ребер формируется вторая матрица |L₁|.

Рассчитывают во второй образуемой подсети узел связи разветвления (k_m), к которому подключают линии связи радиально-узловой сети, находящиеся во второй подсети (фиг.6).

Если и после этой реконфигурации сети связи D < D_тр, то повторно осуществляют динамическую реконфигурацию уже двух подсетей путем рассечения их структур секущими плоскостями, каждую на две полукольцевые структуры.

Пример расчета повышения живучести сети связи, представленной на фиг.7 за счет динамической реконфигурации ее структуры.

Исходные данные: число узлов в сети N = 12. Определяют координаты размещения узлов связи, рассчитывают расстояния между

узлами связи и формируют матрицу расстояний между узлами связи |L|.

Используя матрицу расстояний |L| путем решения задачи Коммивояжер проектируют кольцевую структуру сети связи по критерию минимальной суммарной длины всех линий. В примере

Определяют в кольцевой структуре сети связи узел связи разветвления k_i с помощью нахождения минимальной медианы графа. Результаты расчета показывают, что минимальной медианой графа является узел связи №10. Сумма длин ребер, инцидентных этому узлу Проектируют радиально-узловую структуру сети связи, для чего от узла связи разветвления k_i прокладывают линии связи к другим узлам связи кольцевой структуры сети (фиг.8).

На временном промежутке t_n D < D_тp, поэтому реконфигурируют сеть связи. Рассекают кольцевую структуру сети связи секущей плоскостью на две подсети и рассчитывают во второй образуемой подсети узел связи разветвления k_m. Среди ребер, инцидентных узлу связи №10, определяют такой минимальный по длине суммарный их состав, в который входит N / k число ребер. В примере это ребра к узлам 1, 8, 9, 11, 12 и их минимальная длина будет равна Данные ребра в матрице расстояний |L| удаляют, они составляют первую подсеть. Из оставшихся ребер формируют вторую матрицу |L₁|.

Рассчитывают во второй образуемой подсети узел связи разветвления k_m. Используя матрицу |L₁|, определяют минимальную медиану графа (узел k_m). Расчеты показывают, что к_т является узел связи №4 второй подсети, к которому подключают линии связи радиально-узловой сети, находящиеся во второй подсети. Соединяют узлы разветвления УС №10 первой и УС №4 второй подсетей между собой. Таким образом, формируется структура сети с двумя узлами разветвления (фиг.9).

Рассчитывают живучесть реконфигурированной сети. Оценивают живучесть сети связи D ≥ D_тp. Ели D ≥ D_тp то структуру сети оставляют без изменений, если D < D_тp, то подсети исходной сети повторно реконфигурируют. Оценка эффективности предлагаемого способа.

С одним узлом разветвления:

при выходе из строя УС №5 и инцидентных ему ребер (фиг.10) живучесть структуры сети связи составляет D = 3795;

при выходе из строя УС №8 и инцидентных ему ребер (фиг.11) живучесть структуры сети связи составляет D = 3228;

при выходе из строя УС №10 и инцидентных ему ребер (фиг.12) живучесть структуры сети связи составляет D = 2;

С двумя узлами разветвления:

при выходе из строя УС №10 и инцидентных ему ребер (фиг.13) живучесть структуры сети связи составляет D = 21;

при выходе из строя УС №4 и инцидентных ему ребер (фиг.14) живучесть структуры сети связи составляет D = 24;

при выходе из строя УС №1 и инцидентных ему ребер (фиг.15) живучесть структуры сети связи составляет D = 693;

при выходе из строя УС №7 и инцидентных ему ребер (фиг.16) живучесть структуры сети связи составляет D = 704;

при выходе из строя УС №3 и инцидентных ему ребер (фиг.17) живучесть структуры сети связи составляет D = 2096;

Как показывают расчеты с одним узлом разветвления структура сети связи обеспечивает высокую живучесть при поочередном повреждении различных узлов и инцидентных им линий связи. Однако ее живучесть резко уменьшается до D = 2 при повреждении узла разветвления УС №10. Реконфигурация структуры сети на две подсети повышает живучесть сети при повреждении одного из узлов разветвления. При повреждении УС №10 живучесть сети уже составляет не D = 2, а D = 21.

Представленные расчеты показывают, что последовательность действий при динамической реконфигурации сети связи, обеспечивает повышение ее живучести за счет формирования и реконфигурации ее структуры.

Claims

Способ динамической реконфигурации сети связи, в соответствии с которым в каждом из узлов контролируют качество входящих в узел каналов связи, оценивают пропускную способность канала связи, определяют пропускную способность одномерных маршрутов передачи сообщений, состоящих из множества каналов между двумя инцидентными узлами связи, коммутируют два и более одномерных маршрутов в многомерный маршрут передачи сообщений, передают сообщения по многомерному маршруту передачи, отличающийся тем, что предварительно определяют координаты размещения узлов связи, рассчитывают расстояния между узлами связи, формируют матрицу расстояний между узлами связи, проектируют кольцевую структуру сети связи по критерию минимальной суммарной длины всех линий, причем каждый узел в кольцевой структуре соединяют с другим ближайшим к нему узлом только одной линией связи, определяют в кольцевой структуре сети связи узел связи разветвления k_i с помощью нахождения минимальной медианы графа, проектируют радиально-узловую структуру сети связи, для чего от узла связи разветвления k_i прокладывают линии связи к другим узлам связи кольцевой структуры сети, коммутируют два и более одномерных маршрутов в многомерный маршрут передачи сообщений по критерию минимальной его длины, устанавливают временные промежутки оценки живучести, оценивают живучесть сети связи D ≥ D_тp, где D и D_тp - оцененная и требуемая величины живучести сети связи соответственно, реконфигурируют сеть связи при D < D_тp, для чего раскоммутируют многомерный маршрут передачи сообщений и рассекают кольцевую структуру сети связи секущей плоскостью на две подсети, рассчитывают во второй образуемой подсети узел связи разветвления k_m, к которому подключают линии связи радиально-узловой сети, находящиеся во второй подсети, соединяют узлы разветвления подсетей k_i и k_m между собой и коммутируют многомерный маршрут передачи сообщений заново.