RUS | UKR | ENG | ДонНТУ | Портал магистров |
Аршинова Ольга Александровна Факультет: компьютерные информационные технологии и автоматики (КИТА) Кафедра: автоматики и телекоммуникаций (АТ) Специальность: телекоммуникационные системы и сети (ТКС) Тема квалификационной работы магистра: «Исследование динамики транспортных телекоммуникационных сетей сложной топологии c применением технологий WDM (DWDM)» Научный руководитель: доц., к.т.н., завкафедры АТ Бессараб Владимир Иванович |
Автобиография | Библиотека | Перечень ссылок | Отчет о поиске | Бизнес-планирование |
АВТОРЕФЕРАТ |
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ |
На данный момент происходит интенсивный рост предоставления телекоммуникационных услуг и появления новых сервисов, которые более требовательные к характеристикам транспортных сетей, по сравнению с традиционными. В то же время роль услуг передачи данных возросла и существенно увеличился их вес в общем объеме передаваемого трафика. Увеличение числа пользователей Интернет, строительство корпоративных сетей и сетей хранения данных, внедрение услуги «Видео по запросу» - требует расширение полосы пропускания транспортной сети. Операторы связи все более тесно конкурируют друг с другом, увеличиваются объемы предлагаемых услуг, при этом меняется их структура, ресурсоемкость и технологические основы. На этом фоне оператору особенно важно найти оптимальный путь миграции своей транспортной инфраструктуры, чтобы адекватно отвечать на запросы своих клиентов. За последние годы в процессе бурного развития телекоммуникационной отрасли операторы связи инвестировали в построение транспортных сетей весьма существенные средства. Таким образом, операторы заинтересованы в решениях, которые позволят за счет небольших дополнительных инвестиций развивать существующую транспортную сеть, расширяя и наращивая ее. Есть и технические аспекты - оборудование должно быть совместимо с имеющейся сетью и обеспечивать возможность работы как используемых сегодня, так и перспективных приложений. Дополнительно развивая новую транспортную архитектуру операторы стремятся обеспечить: - простоту, означающую снижение капитальных и эксплуатационных затрат; - соответствие ожиданиям пользователей в терминах полосы и QoS (Quality of Service); - архитектурную гибкость и инвестиционную защищенность. Какими бы ни были выбранные для построения сети доступа технология и оборудование на ее основе, они должны обеспечить возможность постоянного роста пропускной способности абонентских каналов и расширение перечня предлагаемых услуг, а также повышение пропускной способности существующих сетей доступа к высокопроизводительным транспортным сетям. До недавнего времени технической основой для построения транспортной сети являлись телекоммуникационные системы передачи цифровой иерархии (SDH - Synchronous Digital Hierarchy). Интенсивный путь развития данной технологии практически подошел к своему концу, остановившись на скорости 40 Гбит/с, что объясняется наличием дисперсии в стандартном оптоволокне, на котором построены большинство сетей. Существенно увеличить пропускную способность призвана технология мультиплексирования по длине волны (WDM - Wavelength Division Multiplexing), за счет расширения ширины полосы передачи путем увеличения числа каналов. C появлением и широким распространением новейших телекоммуникационных услуг, к транспортным сетям выдвигаются требования мультисервисности и экономичности. Поэтому новые широкополосные сервисы требуют пересмотра пропускной способности существующих транспортных сетей операторов или создания новых высокоскоростных магистральных каналов. На сегодняшний день необходимо решить классическую задачу оптимизации работы транспортной телекоммуникационной сети в целом и конкретных ее участков с учетом основных показателей качества функционирования. Актуальность работы заключается в необходимости ускорения процесса проектирования подобного рода сетей. 2. СВЯЗЬ РАБОТЫ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ Квалификационная работа магистра выполнялась на протяжении 2009-2010 гг. в соответствии с научным направлением кафедры «Автоматики и телекоммуникаций» Донецкого национального технического университета. К транспортной сети, которая является базой предоставления услуг конечному пользователю, всегда выдвигались требования надежности, управляемости, масштабируемости и способности к развитию. Поэтому волоконно-оптические системы передачи на основе SDH уже давно заняли ведущее место в транспортных сетях практически всех операторов связи. Но, с появлением и широким распространением новейших телекоммуникационных услуг, к транспортным сетям выдвигаются новые требования мультисервисности и экономичности. Новые широкополосные сервисы требуют пересмотра пропускной способности существующих транспортных сетей операторов. Следовательно, цель работы заключается в исследовании динамики транспортной телекоммуникационной сети сложной топологии с применением технологий WDM (DWDM). Для достижения поставленной цели необходимо решить основные задачи. В процессе выполнения магистерской работы планируется провести анализ структур SDH сетей сложной топологии, изучить как применяются технологии WDM (DWDM), разработать математическую модель сети для исследования динамических процессов, смоделировать и исследовать процессы в сети и сделать технико-экономическое обоснование эффективности исследуемой сети. Следствием проведенных исследований будут рекомендации по повышению эффективности работы сети, расширению ее функциональных возможностей и повышению надежности. Объектом исследований является транспортная телекоммуникационная сеть. Предметом исследований являются технология SDH с применением волнового мультиплексирования для расширения пропускной способности сети и сложные топологии для решения задачи по повышению эффективности работы сети, расширению ее функциональных возможностей. Научная новизна магистерской работы заключается в том, что объектом исследования является транспортная сеть в сетях мобильной связи. Операторы мобильной связи стремительно расширяют свое покрытие путем увеличения числа базовых передающих станций, и поэтому транспортная сеть динамически изменяется и усложняется. В процессе выполнения магистерской работы будет обоснована эффективность внедрения систем WDM, проведен анализ схем резервирования и предложен алгоритм резервирования на основе П-цикла. 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ Практическая ценность результатов работы состоит в применении более эффективных методов при проектировании новых или модернизации существующих транспортных телекоммуникационных сетей, что позволит более рационально использовать ресурсы сети и минимизировать финансовые затраты на ее построение и обслуживание. 6. ОБЗОР РАЗРАБОТОК И ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕМЕ Операторы столкнулись с необходимостью одновременной поддержки нескольких поколений и технологий связи. Необходимо гарантировать передачу голосового трафика 2G и 3G, а также обеспечить интенсивную передачу данных для новых приложений и доступа в Интернет с требуемым качеством обслуживания [1]. 6.1. WDM в мультисервисной сети Современные мультисервисные сети в качестве базового протокола канального уровня используют Ethernet, обеспечивающий необходимый рост емкости операторской сети, включая новое поколение услуг для бизнеса и частных лиц. IP - основа коммуникационных служб нового поколения. Причем эта IP/Ethernet инфраструктура может быть развернута как поверх «темного волокна», так и поверх оптической транспортной сети на основе xWDM (CWDM/DWDM). Применение xWDM в сети оператора в первую очередь диктуется дефицитом оптического волокна. Темпы роста объемов передаваемой информации приводят к быстрому снижению запасов «свободного» (темного) волокна. В некоторых случаях, в частности, в городах, многие существующие кабельные каналы полностью заполнены и физическое увеличение емкости оптического волокна практически невозможно. Быстрое внедрение новых телекоммуникационных сервисов возможно только за счет увеличения емкостей виртуального волокна, т.е. использования систем спектрального уплотнения (CWDM или DWDM) [2]. Но кроме этой существуют и другие причины использования в основе мультисервисной сети CWDM или DWDM. Во-первых, это необходимость передачи сигнала 10 Gigabit Ethernet на большие расстояния (порядка 100 и более км), так как дальность современных широкополосных XFP трансиверов ограничена из-за хроматической дисперсии. Во-вторых, применение xWDM позволяет использовать функции быстрого восстановления на уровне оптической, а не пакетной IP/Ethernet сети. В-третьих, появляется возможность реализации произвольной топологии мультисервисной сети поверх xWDM. Например, организация топологии звезда между Ethernet коммутаторами поверх xWDM кольца [2]. Еще одна возможность предоставляемая xWDM - простота и скорость наращивания емкости сети в будущем. Это очень важный момент! Также не будем забывать, что наследуемые услуги и наследуемая транспортная инфраструктура (как правило, TDM транспорт на основе SDH) никуда в одночасье не исчезнет, и будет сосуществовать с развивающейся инфраструктурой Ethernet/IP еще долгое время. CWDM/DWDM, в данном случае, - основа для интеграции наследованной и новой транспортной инфраструктур. Критерии оценки xWDM систем при ее выборе оператором - простота, гибкость, надежность и цена (которая приобретает особую актуальность сейчас во времена экономических трудностей). В прошлом проектирование телекоммуникационных сетей с экономической точки зрения в основном диктовалось необходимостью передачи голоса. С крупномасштабным развертыванием сетей передачи данных происходит модификация самой архитектуры сетей. Именно поэтому требуются фундаментальные изменения в принципах проектирования, контроля и управления сетями. В основе нового поколения сетевых технологий лежат многоволновые оптические сети, базирующиеся на плотном волновом мультиплексировании DWDM (dense wavelength-division multiplexing). Плотное волновое мультиплексирование DWDM (dense wavelength-division multiplexing) - это современная технология передачи большого числа оптических каналов по одному волокну, которая лежит в основе нового поколения сетевых технологий [3]. Для агрегации и надежной, эффективной передачи любых типов трафика различных широкополосных сервисов транспортные сети должны обеспечивать необходимую пропускную способность и масштабируемость сетевой инфраструктуры. Эти требования особенно актуальны для транспортных сетей масштаба города (Metro-сетей). В городских транспортных сетях широко используется технология DWDM. Построенные на базе этой технологии транспортные сети отличаются целым рядом достоинств: - поддерживают различные сетевые топологии; - имеют большую масштабируемость в сравнении с решениями на базе других технологий (например, SDH); - поддерживают различные типы клиентских интерфейсов и сервисов; - допускают применение различных схем резервирования; - эффективно используют пропускную способность системы за счет агрегации низкоскоростных клиентских сигналов в рамках одного спектрального канала; - поддерживают функциональность ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) [3]. 6.3. Принципы планирования цифровых сетей При планировании современных цифровых сетей следует различать три сетевых уровня: уровень первичной сети, уровень вторичных сетей и уровень систем или служб электросвязи. Основой любой реальной сети связи является уровень неспециализированной (универсальной) первичной сети, представляющей собой совокупность узлов и соединяющих их линий передачи. Таким образом, первичная сеть - это базовая сеть типовых универсальных каналов передачи и сетевых трактов, на основе которой формируются и создаются вторичные сети [4]. Первичные сети, являющиеся базовыми транспортными или магистральными сетями, как это уже отмечалось выше, служат основой для построения всего многообразия современных мультисервисных сетей связи. Главным требованием, предъявляемым к транспортным сетям, является выполнение сетью основной функции - обеспечения пользователям возможности доступа ко всем разделяемым ресурсам сети. Все остальные требования - производительность (скорость передачи), надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость - связаны с качеством обслуживания конечных пользователей сети. Основные информационно-технические характеристики ЦПС, которые существенно определяют ее возможности по предоставлению гарантированного качества обслуживания пользователей сети и возможности сети в целом, следующие:
К современным ЦПС и корпоративным сетям предъявляют следующие основные требования, обеспечивающие возможность не только гарантировать необходимое качество обслуживания, но и дальнейшее развитие сети:
Наиболее рациональной для глобальных магистральных или транспортных сетей является многослойная архитектура вида IP/ATM/SDH/DWDM. Суть организации построения проектируемых транспортных сетей приведена на рис. 6.1. Представленная модель может служить основой для проектирования сети связи любых масштабов. 6.4. Особенности современной технологии WDM Сетевые операторы, использующие современные широкополосные транспортные технологии цифровой передачи данных, в борьбе за доминирующее положение на рынке телекоммуникационных услуг делают ставку на технологию оптического мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), предполагая увеличение общей ширины полосы передачи путем увеличения числа каналов (или несущих), пропагандируя тем самым экстенсивный путь развития [5]. В технологии WDM нет многих ограничений и технологических трудностей, свойственных TDM. Для повышения пропускной способности в технологии WDM увеличивают число каналов (длин волн), применяемых в системах передачи. Рост пропускной способности при использовании технологии WDM осуществляется без дорогостоящей замены оптического кабеля. Применение технологии WDM позволяет сдавать в аренду не только оптические кабели или волокна, но и отдельные длины волн, то есть реализовать концепцию «виртуального волокна». По одному волокну на разных длинах волн можно одновременно передавать самые разные приложения. Как следствие этого, часть волокон в оптическом кабеле можно использовать для резерва [6]. Применение технологии WDM позволяет исключить дополнительную прокладку оптических кабелей в существующей сети. Даже если в будущем стоимость волокна уменьшится за счет использования новых технологий, волоконно-оптическая инфраструктура (проложенное волокно и установленное оборудование) всегда будет стоить достаточно дорого. Для ее эффективного использования, необходимо иметь возможность в течение долгого времени увеличивать пропускную способность сети и менять набор предоставляемых услуг без замены оптического кабеля. Технология WDM предоставляет именно такую возможность. Технология WDM пока применяется в основном на линиях связи большой протяженности, где требуется большая полоса пропускания. Сети городского и регионального масштаба и системы кабельного телевидения потенциально также являются широким рынком для технологии WDM. Необходимость эффективно использовать проложенный кабель привела к значительному увеличению числа каналов, передаваемых по одному волокну, и уменьшению расстояния между ними [6]. В технологии WDM каналы полностью независимы, а потому она дает большую гибкость, чем технология TDM. Технология WDM позволяет без каких-либо трудностей передавать по линии связи множество каналов, тип трафика и скорость передачи данных, в каждом из которых может существенно различаться. 6.5. Модель взаимодействия транспортных технологий Многоуровневая модель взаимодействия технологий транспортировки сигнала в глобальных цифровых сетях - SDH/SONET, ATM и IP (без учета возможности переноса IP-трафика через ATM-магистрали) - до появления WDM-систем (рис. 6.2.а). После появления WDM-систем модель приобрела вид, показанный на рис. 6.2.b. Теперь в нее входят три или четыре уровня, не считая среды передачи. Промежуточный уровень WDM, подобно SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти на оптическую среду передачи не только технологиям SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP [7]. Естественно, ATM- и IP-трафик может быть передан и с использованием технологий SDH/SONET, а SDH/SONET-трафик - с помощью WDM, что сохраняет преемственность традиционных схем транспортировки и увеличивает гибкость систем WDM-SDH/SONET в целом. Технология WDM обеспечивает технологиям ATM, Ethernet и IP физический интерфейс для выхода на физический уровень и далее в оптическую среду передачи. 6.6. Мультисервисные сети: инфраструктура будущего Сегодня рынок телекоммуникаций, в частности его инфраструктурная составляющая, переживает период динамичных и знаковых изменений. DWDM - это физический уровень сети, который работает независимо от типа передаваемой информации или от ее формата. Подобная гибкость в сочетании с огромной пропускной способностью делает DWDM идеальной технологией для опорной инфраструктуры сетей следующего поколения, каковыми являются мультисервисные сети. Чтобы DWDM могла обеспечить потребности будущих сетей связи, все стороны, заинтересованные в их развитии, должны рассматривать проблему в более широком аспекте, включая взаимодействие с системами мобильной связи третьего поколения, а также с сетями следующего поколения (NGN) [8]. Как только системы мобильной связи третьего поколения войдут в строй и станут широко доступны пользователям, они потребуют высокой пропускной способности цифровых трактов и широкой полосы каналов. В этих условиях DWDM, SDH и различные технологии обеспечат новым системам эффективное решение их транспортных проблем. 7. ОПИСАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ И ПЛАНИРУЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ По мере увеличения сложности системы связи вероятность отказа какого-либо из ее компонентов увеличивается. Современные системы связи используют большое количество элементов, что делает необходимым использование резервирования и обходных маршрутов для повышения коэффициента готовности системы связи в целом. Рассмотрим основные способы увеличения показателя готовности сети. Тип резервирования по схеме 1+1 обычно широко используется в кольцевых архитектурах. В основной конфигурации кольцевой архитектуры трафик от источника одновременно передается по обоим направления и решение о переключении между основной и резервной линиями принимается в месте назначения. В этой ситуации только потеря сигнала (LOS) требуется для инициализации перехода на резерв, и не требуется никакой информации управления или команд, чтобы перейти между двумя этими состояниями. Это позволяет минимизировать отказы общего типа. В силу простоты подхода, он обеспечивает наиболее быстрое восстановление системы с минимальными требованиями на осуществление сложного мониторинга и специального оборудования. Однако, это дорого и менее эффективно, с точки зрения использования оборудования, чем использование резервирования типа N+1. Это неэффективно, потому что резервное оборудование остается неиспользуемым практически все время, не принося прибыли. Более эффективное использование резервного оборудования можно получить при использовании метода защиты линии передачи по схеме N+1. Защита N+1 делает использование оборудования более эффективным экономически, но требует более сложного управления и не может предложить того же уровня доступности, как при использовании схемы защиты 1+1. Также трудно провести деление маршрутов на рабочие и резервные. Следующим вариантом повышения отказоустойчивости сети является резервирование терминального оборудования по схемам 1:1, или N:1, или N:m. В этом случае восстановление работоспособности осуществляется за счет резервирования на уровне трибных интерфейсов. Схема резервирования, обозначаемая в общем случае как N:m, использует m резервных на N работающих интерфейсных карт, что допускает различную степень резервирования: от 1:1 (100%) до N:m, где m=1 минимально, когда на N основных трибных интерфейсных карт используется одна резервная. Основными структурами транспортных сетей являются: линейная (односвязная), кольцевая (двусвязная) и ячеистая (многосвязная). Учитывая двухсвязность кольцевых топологий, в них допускается значительно меньший показатель надежности отдельных элементов сети по сравнению с линейной структурой, что привело к широкому распространению на транспортных городских сетях структур самовосстанавливающихся колец. Однако, многосвязные (ячеистые) сети гораздо более живучи. Как показывает практика развития сетей SDH в европейских странах наиболее оптимальной с точки зрения оптимизации затрат на сеть в целом и наиболее надежной и гибкой является ячеистая архитектура. Расширяя сеть по мере накопления новых узлов и прокладке параллельных линий, даже сеть, состоящая из одного SDH кольца, впоследствии оказывается, что на базе данного сегмента была построена некоторая ячейка. Аналогичный процесс повторяется и на других сегментах, образуя в результате классическую ячеистую сеть с различными потоками в разных ее сегментах, диктуемыми потребителями трафика. Аналогично можно построить ячеистую сеть на основе сети из нескольких колец SDH, соединив некоторые узлы колец звеньями для придания сети большей гибкости и надежности. На начальном этапе модернизации сети связи наиболее рациональным и экономически выгодным является комбинированное использование существующего оборудования SDH и внедряемого WDM. Таким образом, системы WDM будут использоваться для передачи больших потоков данных (например, передача internet-трафика). Системы SDH будут использоваться для передачи и выделения низкоскоростного трафика. Построение такой комбинированной системы даст такие дополнительные возможности:
В дальнейшем при переводе сети полностью на системы WDM будет получен ряд преимуществ, таких как:
В системах WDM, осуществляющих перенос трафика SDH, существуют как специфические методы защиты трафика, например, переключение на резервную длину волны в случае отказа исходной несущей, так и традиционные в принципе, но не всегда возможные в рамках традиционной системы SDH, например, динамическая маршрутизация - перенаправление оптических несущих по новому маршруту при обрыве кабеля или деградации сигнала на предыдущем маршруте. Транспортная система современных телекоммуникационных сетей состоит из магистральной сети и сетей доступа. В результате работы над темой магистерской было спроектировано транспортную сеть города Донецка и Донецкой области. Был рассчитан общий трафик и сделаны некоторые выводы по нагрузке сети. Для организации сети была выбрана технология синхронной цифровой иерархии SDH с применением WDM. На базе данных технологий построена структурная схема сети, представленная на рис. 7.1. Были выбраны все необходимые типы оборудования, которое используется в сети. (Анимация: объем - 84 КБ; размер - 756х575; количество кадров - 10; задержка между кадрами - 250 мс; задержка между последним и первым кадрами - 250 мс; количество циклов повторения - бесконечное) Для создания эффективной системы резервирования и восстановления транспортной сети необходимо исследовать методы повышения надежности относительно применения схем резервирования с использованием преимущества передачи сигнала на нескольких длинах волн, а также решить следующие задачи:
В условиях современного развития телекоммуникационных сетей задача проектирования, моделирования и оптимизации транспортных сетей является достаточно интересной и актуальной. Очевидными достоинствами использования оборудования SDH на участках доступа и магистрали транспортной сети оператора являются:
Для еще большей надежности возможна стыковка колец не в одном, а в двух узлах сети. Таким образом, кольцевая топология дополняется резервными линиями, перекрестными связями, другими топологическими решениями для большей надежности и эффективного использования пропускной способности сети. В результате получается ячеистая топология. Структура транспортных сетей является динамичной, то есть сеть постепенно разрастается и реконфигурируется. Основное топологическое решение, применяемое в магистральных сетях - это сложная ячеистая топология, обеспечивающая хорошее резервирование и легкое расширение сети. При исследовании динамики сети необходимо решить задачу: при изменении нагрузки на транспортную сеть, оценить это изменение и по ряду оценок принять грамотное техническое решение о реконфигурации сети. Основными методами исследования является моделирование процессов, анализ полученных результатов. На данном этапе исследования ведется разработка модели сети, чтобы в процессе моделирования получить динамические характеристики загрузки конкретных участков сети и на их основе выработать общие рекомендации для реконфигурирования сетей SDH. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты. |
Автобиография | Библиотека | Перечень ссылок | Отчет о поиске | Бизнес-планирование |
ДонНТУ | Портал магистров |