Метод визначення структурних характеристик ліній доступу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій

удк 004.725.5

05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Метод визначення структурних характеристик ліній доступу

Котова Олександра Ігорівна

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Гайворонська Галина Сергіївна, Одеська державна академія холоду, завідувач кафедри інформаційно- комунікаційних технологій.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Сундучков Костянтин Станіславович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", заступник директора з наукових питань інституту телекомунікаційних систем;

- кандидат технічних наук Колченко Галина Федорівна, Український науково-дослідний інститут зв'язку, заступник директора з наукової роботи.

Захист дисертації відбудеться " 8 " грудня 2010 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01 Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій Мінтрансзв'язку України за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 7.

Автореферат розісланий " 5 " листопада 2010 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, доцент Н.І. Кунах

Анотації

Котова О. І. Метод визначення структурних характеристик ліній доступу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, Київ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню задачі підвищення ефективності проектування перспективних мереж доступу та надання користувачам широкого спектра інфокомунікаційних послуг у сільській місцевості. Вирішення поставленої задачі дозволяє виявити економічно вигідні варіанти організації мереж доступу, одним із яких є використання існуючої абонентської мережі, у якості основи для побудови мереж доступу. Дослідження, проведені в роботі, дозволяють виявити ті структурні характеристики існуючих абонентських ліній, величина яких визначає можливість передачі цифрової інформації використовуючи аналогову мережу й оцінити придатність обладнання xDSL на сільських мережах. Великий обсяг оброблених статистичних даних дозволяє оцінити структуру і технічний стан існуючої абонентської мережі України, а використані методи обробки статистики - визначити можливість поширення отриманих результатів на сільські адміністративні райони обслуговування, які не брали участь у дослідженні. Розроблений метод розрахунку структурних характеристик ліній доступу для мереж доступу в сільській місцевості дозволяє визначити найбільш вигідне, з погляду мінімізації витрат, розташування та пропускну спроможність вузлів доступу, довжину та пропускну спроможність ліній доступу на транспортному і локальному сегментах. Запропонований метод враховує як існуючі принципи організації абонентських ліній, що забезпечують доступ телефонної мережі загального користування, так і підключення до інших базових мереж.

Ключові слова: мережа доступу, структурні характеристики абонентських ліній, непараметричні методи обробки статистики.

Котова А.И. "Метод определения структурных характеристик линий доступа". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Государственный университет информационно-коммуникационных технологий, Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению задачи повышения эффективности проектирования перспективных сетей доступа и предоставления пользователям широкого спектра инфокоммуникационных услуг в сельской местности. Решение поставленной задачи позволяет выявить экономически выгодные варианты организации сети доступа, одним из которых является использование, в качестве основы для ее построения, существующей абонентской сети. На основе модели G.902 ITU, а также моделей сети доступа, предложенных другими международными организациями по стандартизации, разработана детализированная модель перспективной сети доступа. Исследования, проведенные в работе, позволили выявить структурные характеристики существующих абонентских линий, величина которых определяет возможность передачи цифровой информации по аналоговой сети и оценить пригодность оборудования xDSL на сельских сетях. Большой объем обработанных статистических данных позволяет оценить структуру и техническое состояние существующей абонентской сети Украины, а использованные методы обработки статистики - определить возможность распространения полученных результатов на сельские административные районы, которые не участвовали в исследовании.

Проведенный анализ предоставления инфокоммуникационных услуг в городской и сельской местности выявил существенные недостатки в организации доступа к услугам для сельского населения. Доказана необходимость учета особенностей сельской местности при разработке метода оптимизации структурных характеристик линий доступа. Выделены модели с наиболее ярко выраженными отличиями конфигурации обслуживаемой территории, на которой создается сеть и градостроительными принципами. Это модель прямоугольной территории, характеризуемая ортогональной прокладкой улиц и однородной плотностью размещения пользователей, и модель секторной территории с радиальной прокладкой улиц и разнородной плотностью пользователей, отображающая структуру малых городов, к которым относятся райцентры сельских районов.

Разработанный метод оптимизации структурных характеристик линий доступа для перспективных сетей доступа в сельской местности позволяет определить наиболее выгодное, с точки зрения минимизации затрат, расположение и пропускную способность узла доступа, длину и пропускную способность линий доступа, учитывая конфигурацию обслуживаемой территории и существующую абонентскую сеть. Оптимизация структурных характеристик линий доступа выполняется в два этапа, первый - по критерию суммарной стоимости сети, а второй - по поверхностной плотности линий. К структурным характеристикам линий доступа отнесены длина и пропускная способность линий, а также количество, местоположение и пропускная способность узлов доступа.

На основе предложенного метода разработаны алгоритмы, позволившие создать программный продукт, для автоматизированного проектирования сетей доступа, с помощью которого достигается сокращение затрат на проектирование на 15-20%. Предложенный метод можно использовать как для планирования новых сетей доступа, так и для модернизации фрагментов существующих абонентских сетей.

Ключевые слова: сеть доступа, структурные характеристики абонентских линий, непараметрические методы обработки статистики.

Kotova A. I. "Method of definition of structural characteristics of access lines". - Manuscript.

Dissertation on the competition of scientific degree of candidate of engineering's sciences on specialty 05.12.02 - the telecommunication systems and networks. it is the State university of informative-communication technologies, Kiev, 2010.

Dissertational work is devoted the decision of a problem of increase of efficiency of designing of perspective networks of access and granting to users of a wide spectrum infocommunications services in a countryside. The task in view decision allows to reveal economic variants of the organization of a network of the access, one of which is use as a basis for its construction of an existing user's network. The researches spent in work, allow to reveal those structural characteristics of the existing user's lines which size defines possibility of transfer of the digital information on an analogue network and to estimate suitability of the equipment xDSL on rural networks. Great volume of the processed statistical data allows to estimate structure and a technical condition of an existing user's network of Ukraine, and the used methods of processing of statistics - to define possibility of distribution of the received results on rural administrative areas of service which did not participate in research.

The developed method of calculation of structural characteristics of lines of access for perspective networks of access in a countryside allows to define the most favourable, from the point of view of minimization of expenses, an arrangement and throughput of knot of access, length and throughput of lines of access on transport and local segments, considering an existing configuration of served territory. The offered method considers as existing principles of the organization of the user's lines, providing access only to a telephone system of the general using, and possible variants of connection to other base networks.

Keywords: access network, structural characteristics of user's lines, nonparametric methods of processing of statistics.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У цей час відбуваються різноманітні та численні еволюційні зміни в сфері інфокомунікацій, у результаті яких здійснюється перехід до мереж наступного покоління, заснованих на процесах інтеграції і конвергенції інформаційних мереж (ІМ). Мережі наступного покоління (NGN) стануть найбільш яскравим свідченням змін в інфокомунікаціях за останні 100 років. Без кардинальної модернізації доступу користувачів до мереж і послуг створення глобальної інформаційної інфраструктури неможливо. Істотні якісні зміни, що відбувалися останнім часом на телекомунікаційних мережах (ТМ), такі як перехід до цифрових методів передачі, комутації й обробки інформації та заміна в кабелях зв'язку металевих жил на оптичні волокна, не зачепили один з самих консервативних елементів мережі - абонентські лінії (АЛ) і принципи побудови абонентських мереж (АМ). Створення цифрових АЛ дозволить здійснити модернізацію АМ і побудову на її базі мережі доступу (МД). Створена МД дасть можливість реалізувати інтеграцію служб, що забезпечує надання користувачам усього спектра інфокомунікаційних послуг (ІКП).

Актуальність і важливість розробки рекомендацій для МД признана МСЕ, яким у складі ДК-15 "Транспортні мережі, системи та устаткування" створена робоча група №1 (РГ 1/15) - "Мережний доступ", у сферу інтересів якої включені питання передачі інформації в МД і стандартизація обладнання передачі для абонентських систем доступу HDSL і ADSL. Перспективи розвитку МД широко обговорюються на конференціях і семінарах, які присвячені розвитку інфокомунікацій. Різні аспекти побудови і модернізації МД, застосування на МД провідних і безпроводових технологій висвітлені у роботах Соколова Н.А., Гольдштейна Б.С., Бакланова І.Г., Крендзеля А.В., Бірюкова М.Л. Хиленко В.В., Михайлова В.Ф., Гайворонської Г.С., Денисьєвої О.М., Балашова В.А., Зяблова С.В., та ін.

При створенні перспективної МД досить актуальною стає необхідність передачі цифрової інформації з використанням існуючих АЛ, які на сьогоднішній день представлені переважно кабельними лініями телефонної мережі загального користування (ТфЗК). Особливу важливість ця задача набуває у сільській місцевості України, у зв'язку з тим, що характеристики телефонних ліній у сільських населених пунктах мало досліджені, тому при визначенні способу організації МД технологію вибирають методом проб та помилок. Актуальність дослідження можливості надання ІКП у сільській місцевості підкреслена і у Законі України "Про телекомунікації". У статті 62 Закону уведене поняття загальнодоступних телекомунікаційних послуг, а в статті 64 підкреслюється пріоритетний розвиток цих послуг у сільських і гірських районах України. Дослідженню сільських телефонних мереж (СТМ) України приділяли увагу ряд вчених і організацій. Такі роботи проводились Одеським науково-дослідним інститутом зв'язку і кафедрою автоматичної комутації Одеської національної академії зв'язку, зокрема: Зябловим С.В., Чумаком М.О., Корнишевим Ю.М., Дузем В.І., Гайворонською Г.С. та іншими вченими.

Аналіз надання інфокомунікаційних послуг у міській і сільській місцевості виявив недоліки в організації доступу до послуг для сільського населення. Тому завдання організації мережі доступу у сільській місцевості мають не тільки важливе народногосподарське, але й політичне значення, оскільки породжує нерівність у доступності до інфокомунікаційних послуг і інформаційних ресурсів міських і сільських жителів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи спрямована на розвиток мереж доступу в Україні та дозволяє вирішувати існуючі проблеми при організації доступу до інфокомунікаційних послуг у селі і тісно пов'язана з основними напрямами розвитку телекомунікацій України, визначеними в основних нормативних документах та Законах України "Про Концепцію Національної програми інформатизації" та "Про Національну програму інформатизації". Необхідність розвертати перспективні мережі доступу у селах доводить і Закон України від 9 січня 2007 р. № 537-У "Про основні принципи розвитку інформаційного суспільства в Україні на 2007-2015 роки".

Напрямок досліджень пов'язаний з виконанням науково-дослідних робіт (НДР), в яких приймав участь автор. Зокрема, з господарчо-договірною науково-дослідною роботою, що виконувалася на кафедрі інформаційно-комунікаційних технологій Одеської державної академії холоду (№ ДР 0108U008107), яка присвячена розробці програмного комплексу, призначеного для автоматизації обробки великих масивів статистичної інформації. За результатами цієї роботи колективом співробітників кафедри, включно з автором цієї роботи, отримано сертифікат про реєстрацію авторського права за № 26021 від 03.06.2008 р.

Мета та задачі дослідження. Мета роботи передбачає підвищення ефективності проектування мереж доступу у сільській місцевості за рахунок розробки методу оптимізації структурних характеристик ліній доступу, за критеріями сукупної вартості та щільності ліній.

Для досягнення мети необхідно вирішення наступних задач:

- аналіз особливостей сільських телефонних мереж України;

- збір і аналіз статистичної інформації про АЛ на СТМ України;

- дослідження структурних характеристик абонентських ліній;

- розробка методу розрахунку структурних характеристик ліній доступу для перспективних мереж доступу у сільській місцевості.

Об'єкт дослідження - абонентські лінії та лінії доступу у сільській місцевості. Предмет дослідження - структурні характеристики абонентських ліній та ліній доступу у сільській місцевості.

Методи дослідження включають теорії: телетрафіку, мереж зв'язку, масового обслуговування, розподілу інформації; та методи інтегрального та диференціального обчислювання, параметричні і непараметричні методи обробки статистичних даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Одержала подальший розвиток класифікація сільських телефонних мереж України, при якій виділені основні типові структури мереж, та виявлено фактори, які найбільш впливають на побудову мереж доступу, що дозволило сільські адміністративні райони України розділити на три класи, які відрізняються чисельністю населення, рівнем попиту на інфокомунікаційні послуги та містобудівними принципами, що істотно впливає на принципи створення мереж доступу.

2. Удосконалені оцінки структурних характеристик абонентських ліній райцентрів України, а саме імовірнісні параметри довжини ліній: математичне очікування, дисперсія, показники асиметрії, варіації та ексцесу, що дозволило визначити частку абонентських ліній у райцентрах сільській місцевості, які придатні для використання обладнання DSL. ця частка включає 43% усіх ліній, які досліджено.

3. При доповненні вибірки абонентськими лініями різнотипних населених пунктів України, виявлена відсутність нормального розподілу вихідних даних, тому шляхом застосування непараметричних методів обробки статистики вперше визначено центральні тенденції і характеристики розсіювання довжин абонентських ліній, що дало можливість довести, що тільки 26% абонентських ліній сільських мереж України допускають використання обладнання сімейства xDSL.

4. Вперше запропоновано метод оптимізації структурних характеристик ліній доступу при проектуванні перспективних мереж доступу, за критеріями сукупної вартості мережі та щільності ліній. Метод враховує структуру и функції доступу, які відповідають рекомендаціям ITU, а також конфігурацію території, містобудівні рішення та існуючу абонентську мережу. До структурних характеристик ліній доступу віднесено довжину і пропускну спроможність ліній доступу та кількість, місто розташування і пропускну спроможність вузлів доступу.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Виконаний аналіз структурних характеристик абонентських ліній, сільських телефонних мереж дозволяє без додаткових вимірювань визначити лінії, які не підходять для використання обладнання DSL.

2. Показано, що сукупність структурних характеристик абонентських ліній у сільській місцевості, а саме довжина ліній, ємність абонентського кабелю та наявність стиків кабелю з різним діаметром жил, обмежує застосування обладнання сімейства xDSL, що вимагає або прокладки нового кабелю, або використання безпроводових технологій.

3. Запропонований метод оптимізації структурних характеристик ліній доступу дозволяє планувати як повністю нові мережі, так і окремі її частини, визначаючи оптимальну довжину ліній доступу та кількість, пропускну спроможність і місця розташування вузлів доступу.

4. На базі методу оптимізації структурних характеристик ліній доступу розроблені алгоритми, які дозволили створити програмний продукт, що автоматизує проектування мереж доступу, дозволяє скоротити витрати на проектування на 15-20% та планувати як нові мережі, так і модернізувати фрагменти існуючих абонентських мереж.

Результати дисертаційної роботи використані в наукових дослідженнях Українського науково-дослідного інституту зв'язку (акт впровадження від 05.10.2009 р.). Також результати дисертації впроваджені в учбовий процес Одеської державної академії холоду при викладанні дисциплін "Інформаційні мережі" і "Системи доступу користувача" (акт впровадження від 02.10.2009 р.) та Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій при викладанні дисциплін "Методи оптимізації" і "Нові інформаційні технології" (акт впровадження 09.10.2009 р.).

Особистий внесок здобувача. Дисертаційне дослідження є самостійно виконаною роботою, в якій відображено особистий авторський підхід та особисто отримані теоретичні та прикладні результати, які відносяться до проектування МД у сільській місцевості. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору дисертації належить: статистичний аналіз структурних характеристик абонентських ліній та визначення центральних моментів за допомогою непараметричних методів обробки статистики [2]; дослідження параметрів абонентських ліній, які визначають можливість використання обладнання сімейства xDSL на існуючих абонентських мережах [4].

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на десяти конференціях і семінарах різного рівня, а саме:

– II та III НТК "Проблеми телекомунікацій", НТУУ КПІ, Київ, 2008 - 2009 рр;

– III, ІV та V міжнародних НТК "Сучасні інформаційно-комунікаційні технології", ДУІКТ, Київ, 2007 - 2009 рр.;

– XII міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка та молодь у ХХІ ст., ХНУРЕ", Харків, 2008 р.;

– V міжнародна НТК студентства та молоді, ДУІКТ, Київ, 2008 р.;

– VI та IX міжнародних НТК "Математичне моделювання та інформаційні технології", ОДАХ, Одеса, 2008 - 2009 рр.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи та її наукові положення опубліковані в статтях у науково-технічних журналах, і в працях міжнародних конференцій та семінарів. Всього опубліковано 17 робіт, з них 5 у виданнях, що входять до переліку ВАК.

Структура дисертаційної роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Робота містить 157 сторінок тексту, 47 рисунків і 21 таблицю, список використаних джерел містить 86 найменувань. У додатках містяться 3 акти впровадження результатів дисертаційного дослідження.

Основний зміст

У вступі дана загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність теми; визначені: мета, задачі, об'єкт, предмет і методи досліджень; вказані: наукова новизна та практична цінність результатів; зв'язок з науковими програмами і планами; відомості, що стосуються достовірності та апробації результатів, публікацій, особистого внеску здобувача.

У першому розділі здійснено обґрунтування необхідності модернізації структури доступу до базових мереж, для чого проаналізовані передумови створення перспективних МД, а також зміни функцій існуючих АЛ при перетворенні їх в ЛД, топології МД та технологій, які використовуються. Виконано аналіз задач, вирішення яких необхідно при побудові МД для забезпечення доступу до мультисервісних мереж NGN. Зроблено аналіз наукових досліджень в обраному напрямку, відмічені задачі, вже вирішені вітчизняними та зарубіжними вченими та виявлені аспекти, що потребують свого вирішення. Визначена сукупність вимог, яким повинна відповідати МД на кожному етапі її розвитку. Підрозділ 1.3 присвячено аналізу моделей МД, запропонованих міжнародними організаціями. Оскільки згідно з рекомендаціями МСЕ МД планується створювати шляхом модернізації існуючої АМ, виконано аналіз структури абонентських мереж ТфЗК. У ході аналізу виявлено, що існуючі методи проектування АМ непридатні для перспективних МД, у зв'язку з чим необхідна розробка нового підходу, який відповідатиме сучасному стану розвитку телекомунікацій, що потребує попереднього ретельного аналізу характеристик існуючих АЛ.

Проведений аналіз надання ІКП у міській та сільській місцевості виявив суттєві недоліки в організації доступу до послуг для сільського населення. Виявлено, що повний системний аналіз структурних характеристик АЛ у сільській місцевості досі не проводився, однак його важливість в період створення NGN незмірно збільшується, що обумовлює вибір в якості об'єкту дослідження АЛ і ліній доступу (ЛД) у сільській місцевості.

У другому розділі виконано аналіз СТМ з точки зору побудови перспективних МД і проведена техніко-економічна оцінка долі витрат на АМ, яка свідчить про необхідність розробки архітектури МД, яка могла б суттєво зменшити необхідні витрати на її утримання та розвиток. Показано, що витрати, необхідні для підключення нового терміналу в сільській місцевості, перевищують аналогічну величину для міст не менш, як у 5 разів. Для віддалених чи важкодоступних пунктів подібне перевищення складатиме не менш ніж десять разів, що доводить необхідність врахування особливостей сільської місцевості при розробці методу проектування МД.

Виявлені особливості СТМ, які є значимими для побудови МД. В Україні спостерігаються істотні відмінності як в характеристиках сільських адміністративних районів (САР) в цілому, так і в структурі СТМ, що там функціонують. У зв'язку з цим у роботі виконано дослідження структур СТМ України. Вихідні дані для дослідження збиралися безпосередньо на вузлах ТфЗК сільських населених пунктів України. Використовуючи отриману інформацію на основі кластерного аналізу, виділені основні структури існуючих телефонних мереж у сільській місцевості. Отримані структури СТМ представлені у вигляді моделей, які наочно відображають відмінність топологій СТМ України (рис.1).

Рис. 1. Приклади структур СТМ України

Порівняльний аналіз СТМ України та виявлення подібності цих мереж виконано за великою кількістю ознак, а саме: типу використаного комутаційного і передаючого обладнання, характеристикам території, що обслуговується, телефонної та поверхневої щільності потенційних користувачів МД, кількості сільських рад, населених пунктів і фермерських господарств, що обслуговуються. Для отриманих структур СТМ з використанням факторного аналізу виявлено фактори, які найбільш впливають на методи проектування та побудови МД. Показано, що усі виявлені фактори тісно корелюють з чисельністю населення САР. При цьому деякі САР мають територіальні особливості, важливі з точки зору створення МД. Наприклад, у 24 сільських районах знаходяться гірські території, де існують специфічні проблеми організації зв'язку. Виконані дослідження показали, що доцільно усі САР України розподілити на 3 класи, які відрізняються чисельністю населення, рівнем попиту на ІКП та містобудівними принципами, що істотно впливає на принципи створення МД. мережа інфокомунікаційний користувач аналоговий

Виконано аналіз особливостей технологій, використання яких доцільно на МД у сільській місцевості. У зв'язку з тим, що біля 95% (463) САР України відносяться і до першого та другого класів, територіальні та демографічні особливості яких визначають низький попит на ІКП, перспективним для побудови МД є використання аналогових та цифрових модемів. Аналіз основних характеристик роботи обладнання хDSL показав, що для визначення доцільності його використання необхідне дослідження розподілу довжин та перерізів провідників АЛ, а також ємності кабелю й наявності стиків кабелю з різним діаметром жил. Показано також, що альтернативні технології поступово зближуються за своїми функціональними можливостями і якісними характеристиками, вирівнюються і їх вартісні показники, однак послуги, які доступні абонентам стаціонарних мереж починають надаватися операторами мобільного зв'язку у сільській місцевості пізніше на 3-5 років. Виходячи з цього, в роботі пропонується обмежитись оптимізацією характеристик провідних ЛД, передбачаючи використання безпроводових технологій напрямом подальшого дослідження.

У третьому розділі виконано дослідження структурних характеристик АЛ на СТМ України. Обрано та обґрунтовано метод дослідження, при використанні якого довжина АЛ і ємність абонентських кабелів розглядаються як випадкові величини. Дослідження характеристик АМ здійснювалось на рівні емпіричної функції розподілу (ФР), яка є оцінкою з вибірки ФР генеральної сукупності. Довжина АЛ та ємність кабелю відносяться до первинних статистичних ознак, з урахуванням форми їх представлення обидві ознаки вважаємо дискретними. Таким чином, ФР для кожної конкретної мережі представляють ступінчату функцію. З використанням цього підходу обчислені моменти розподілу: положення центру групування, характеристики розсіювання

коефіцієнти варіації

,

асиметрії

та ексцесу

.

Визначена ступінь відповідності структурних характеристик АМ між собою та з теоретичними даними. В якості міри розбіжності даних вибірки з теоретичними даними розглядалася величина

.

Визначення приналежності двох вибірок однієї і тієї ж генеральної сукупності здійснено за критерієм Вількоксона, проведена також додаткова обробка отриманих даних, зокрема, перевірка гіпотези нормальності закону розподілу з використанням критерію .

Дослідження характеристик фізичних АЛ виконано на цьому етапі для більш ніж 1500 АЛ України, що розташовані у Івано-Франківській, Львівській, Одеській, Дніпропетровській та Волинській областях, що дозволило оцінити головні імовірнісні параметри цих ліній, а саме: мінімальну та максимальну довжину, вибіркове середнє, середнє квадратичне відхилення досліджуваної величини, а також коефіцієнти варіації, асиметрії та ексцесу, які склали за вибіркою 1396,25; 2,4; 105; 0,36; 0,73; 11,38 м відповідно. У процесі дослідження характеристик АЛ представлені у вигляді діаграм, приклад яких для АЛ м. Галич Львівської області наведено на рис. 2, де крапками позначені довжини АЛ. З діаграм видно, що більшість АЛ мають довжину біля 3 км, мінімальна та максимальна довжина АЛ для цього випадку складають L_min= 570 м, L_max = 5210 м. Для цього прикладу вибіркове середнє досліджуваної випадкової величини складає

,

середнє квадратичне відхилення

,

відносна характеристика розсіювання

,

показник ексцесу

.

На досліджуваних мережах виявлена значна кількість стиків кабелю з різним діаметром жил, наявність яких призводить до появи відбитого сигналу. Наприклад, на мережі райцентру Галич виявлена кількість стиків кабелю, яка складає 60% від сукупності АЛ. Для всієї сукупності АЛ, яка досліджується, це значення варіюється від 45 до 65%. Така кількість стиків суттєво обмежує можливість застосування технологій сімейства xDSL. Аналогічні дослідження виконані і для інших АМ України.

Рис. 2. Діаграми розподілення довжин АЛ РШ 1-РШ 14 м. Галич Івано-Франківської області

Середнє значення ємності кабелю склало 87,5 пар, коефіцієнти варіації асиметрії, ексцесу відповідно 0,52; 2,26; 10,4. Показано, що у зв'язку з тим, що за вимогами концепції МД довжина локального сегменту ЛД, який відповідає розподільній ділянці АЛ, повинна бути мінімальною, існуюче місце розташування розподільної шафи (РШ) у переважній більшості випадків не можна вважати вдалим для розміщення вузла доступу (ВД).

Для отримання достовірних оцінок, які можна поширити на всі АЛ сільських мереж України довелось істотно збільшити об'єм вибірки, однак збільшення кількості досліджуваних АМ призвело до необхідності додавати вихідні дані по різноманітним населеним пунктам сільської місцевості, а не тільки по райцентрам, які включала первинна вибірка. Використовувана вибірка збільшена за рахунок вихідних даних, отриманих на АМ 325 населених пунктів Одеської, Донецької, Дніпропетровської, Луганської, Кіровоградської, Миколаївської, Хмельницької та ряду інших областей. Гістограма, що наведена на рис.3, відображає частоту потраплянь довжин у певні інтервали, що дозволяє оцінити кількість ліній визначеної довжини. Довжини ліній розбиті на інтервали з кроком 100 м.

Дослідження показали, що результати для вибіркової групи характеристик АЛ не можна поширити на параметри всієї генеральної сукупності, оскільки закон розподілення довжин АЛ не відповідає нормальному, що підтверджується тестами Колмогорова-Смірнова, Шапіро-Уілка та Ліллієфорса. За отриманої відмінності закону розподілення від гаусівського, перевірка коректності багатьох висновків, таких як довірче оцінювання і гіпотез про параметри, що отримані у межах нормальної моделі, переростає в складну проблему. У зв'язку з цим прийнято рішення відмовитись від стандартної гаусівської моделі та застосовувати непараметричні методи, які мають більш широку область застосування, якщо розподіл генеральних сукупностей досліджуваної величини відрізняється від нормального.

Використовуючи непараметричні методи обробки статистичних даних визначені центральні тенденції досліджуваної випадкової величини, аналізуючи значення медіани і таких характеристик розсіювання, як мінімальне та максимальне значення, розмах варіювання і квартільний розмах. Результати дослідження непараметричними методами наведені у табл.1

Таблиця 1 Центральні тенденції та розсіювання довжин АЛ

Параметр	Значення
Кількість об'єктів дослідження	1559
Медіана, м	1120
Мінімальна довжина АЛ (), м	12
Максимальна довжина АЛ (), м	5210
Розмах варіювання (), м	5198
Верхня квартіль (75-а процентіль), м	1495
Нижня квартіль (25-а процентіль), м	734
Квартільний розмах (), м	761
10-а процентіль, м	450
90-а процентіль, м	2060

.

Квартільний розмах показав, що 50% довжин АЛ знаходяться в інтервалі 734…1495 м, а у 80% усіх спостережень довжина АЛ лежить у інтервалі 450…2060 м. Центральні тенденції і дисперсії довжини АЛ, які не мають нормального розподілу описуються медіаною та інтерквартільним розмахом, а також інтерпроцентільним розмахом (80% інтерпроцентільний розмах - між 10-ю і 90-ю процентілями). Діаграма діапазонів, що наведена на рис. 4, наочно демонструє результати дослідження. Розмах варіювання і квартільний розмах АЛ дозволили визначити кількість ліній, довжина яких допускає використання обладнання сімейства хDSL.

У результаті всіх проведених досліджень структурних характеристик АЛ, важливих для використання обладнання xDSL, у роботі показано, що сукупність обліку характеристик АЛ, а саме довжини лінії, ємності абонентського кабелю та наявності стиків кабелю з різним діаметром жил істотно обмежує застосування обладнання сімейства xDSL у сільській місцевості, що потребує або прокладки нового кабелю, або використання безпроводових технологій. Показано, що найбільш суттєвими параметрами ЛД є її довжина, місце розташування і пропускна спроможність ВД.

Однією з задач є розробка рекомендацій за створення МД на СТМ. Для цього виконано дослідження подібності аналізованих АМ. При цьому кількісні ознаки оброблені за допомогою непараметричних методів порівняння незалежних груп, які застосовні для будь-якого виду розподілення. Значення рівня , отримані в результаті порівняння попарно всіх досліджуваних АМ, представлені на рис. 5. Відсутність відмінностей у групах підтверджується перевірочними тестами Вальда-Вольфовица і Колмогорова-Смірнова, результати яких показали, що тільки для 36% АЛ САР можна прийняти гіпотезу про відсутність відмінностей, тому узагальнювати отримані результати на всю генеральну сукупність АЛ України не можна.

У четвертому розділі вирішено задачу розробки методу оптимізації структурних характеристик ЛД при проектуванні МД у сільській місцевості. До цих характеристик віднесені: довжина і пропускна спроможність ЛД та кількість, місце розташування і пропускна спроможність ВД. При аналізі АМ САР виділені моделі з найбільш яскраво вираженими відзнаками конфігурації території, на якій створюється мережа і містобудівними принципами. Це модель прямокутної території, що характеризується ортогональною прокладкою вулиць і однорідною щільністю ліній та модель секторної території з радіальною прокладкою вулиць; трапецеїдальними сегментами та різнорідною щільністю ЛД. Остання модель відображає структуру малих міст, до яких відносяться районні центри САР.

Для визначення середньої довжини ЛД введено наступні позначення: N - кількість точок підключення на території МД; - поверхнева щільність користувачів; - радіус умовного кола території, на якій ЛД включені безпосередньо до вузла надання послуг (ВНП); - радіус умовного кола території, що обслуговується одним ВНП; - кількість ВД, підключених до ВНП, реалізованих у вигляді концентраторів, абонентських мультиплексорів чи базових станцій безпроводового доступу до фіксованої мережі; - радіус кола території, що обслуговується одним ВД; - кількість каналів між ВНП и ВД; , - коефіцієнти кривизни прокладки ЛД, включених до ВНП; - коефіцієнти кривизни прокладки ліній транспортного доступу між ВД і ВНП; - коефіцієнти кривизни прокладки ЛД, включених до ВД. Величина коефіцієнта кривизни прокладки ліній залежить від форми території, траси прокладки кабелю та інших факторів. Пропускна спроможність виражена в основних цифрових каналах (ОЦК), швидкість яких дорівнює 64 кбіт/с. , - розмір сторін умовно прямокутної території МД; , - розміри сторін прямокутної території, на якій МД включені безпосередньо до ВНП; , - розміри сторін прямокутної території, що обслуговується одним ВД; - коефіцієнти ущільнення ЛД, включених до ВНП; - коефіцієнти ущільнення ліній між ВД і ВНП; - коефіцієнти ущільнення ЛД, включених до ВД. Коефіцієнт ущільнення

,

- це кількість каналів зв'язку, одержаних у результаті застосування систем передачі, а - пропускна спроможність направляючої системи, що необхідна для утворення каналів зв'язку.

При припущенні, що кінцеві пристрої користувача, які є точками доступу до мережі, розподілені на території МД рівномірно і ЛД включені безпосередньо до ВНП основної базової мережі, середня довжина ЛД:

- для територій з прямокутним розташуванням вулиць

, (1)

- для територій з радіальним розташуванням вулиць

. (2)

Залежно від конкретних умов базовою може бути: мережа кабельного телебачення, ТфЗК, Інтернет і т. п. Якщо організується МД до NGN, базова мережа не виділяється, функції ВД виконує Softswitch, або інше обладнання, що забезпечує виконання управління і комутації для надання усієї сукупності послуг, затребуваних користувачами. Якщо ліній включається безпосередньо до ВНП, частина терміналів , розташованих на території, що обслуговується ВД, також включається безпосередньо до ВНП, а інші термінали включаються до ВД, тоді середня довжина ЛД

для територій з прямокутним розташуванням вулиць

, (3)

для територій з радіальним розташуванням вулиць

. (4)

Для економічної побудови МД необхідно оптимізувати мережу ЛД, вибрати траси для прокладання цих ліній і визначити оптимальну кількість ВД. При цьому територію, що обслуговується одним ВД, назвемо районом обслуговування (РО). У залежності від щільності ліній можливо дворівневе підключення ЛД, тоді крім РО виділяються ще й підрайони (ПРО), що обслуговуються ВД другого рівня ВД 1. Підрайон обслуговування представляє собою найменшу територіальну одиницю проектованої МД.

Кількість кінцевих пристроїв, що підключаються до ВД:

,

де - кількість точок підключення термінального обладнання користувачів ділового та квартирного секторів; - кількість пунктів колективного доступу, - кількість орендованих ліній доступу (5-10% від ); - кількість ЗЛ для підключення ВД 1; - експлуатаційний запас на сегменті локального доступу.

Виходячи з цього, пропускну спроможність ВД_i визначимо з рівняння:

,

де - пропускна спроможність транспортного сегмента доступу, що з'єднує ВД з ВНП; - пропускна спроможність каналу ПД між ВД першого та другого рівнів, якщо організується дворівнева структура підключення; - експлуатаційний запас транспортного доступу на ділянці ВНП - ВД (2-3%); - кількість ВД 1, підключених до ВД, між якими організовано канал ПД. Сумарна пропускна спроможність каналів транспортного доступу, які необхідно включити до ВД при відсутності ВД 1, визначається як:

,

де - кількість точок підключення терміналів користувачів, що підключаються до ВД у заданому РО; - додаток, що враховує можливе відхилення кількості точок підключення користувача від розрахункової величини.

Сумарні витрати на побудову МД

,

де S - площа території МД; к_м - співвідношення вартості кабелю транспортного та локального доступу;

- кількість ВД у РО; - кількість точок підключення користувачів до одного ВД 1. Оптимальна кількість ВД на території:

,

- кількість точок підключення користувачів до ВПН.

Для визначення оптимальних по вартості розмірів території, що обслуговується одним ВД, необхідно мінімізувати витрати на реалізацію локального сегменту МД: K > min, де

, (5)

де - витрати на створення РО; , - вартість одиниці довжини кабелю та його прокладання; - початкова вартість ВД; b_ВД - вартість ВД, яка залежить від його пропускної спроможності; - довжина траси кабелю; , - довжина локального та транспортного сегментів; - коефіцієнт залежності вартості кабелю від його пропускної спроможності; , - середня довжина локального та транспортного сегментів ЛД; , - пропускна спроможність кабелю локального та транспортного сегментів ЛД.

Кількість ОЦК на території одного РО

,

де через та задані розміри РО, які для моделі з прямокутною територією визначаємо як:

, (6)

, (7)

де: d₀, d₁ - коефіцієнти визначення довжини кабелю по довжині трас; д - міра відхилення місця розташування ВД від центру РО; L₁, L₂ - розміри МД; е - середня пропускна спроможність кабелю локального сегмента ЛД на кожен ВД.

Рішення виконується ітераційним способом и дає залежності, представлені на рис. 6.



Запропонований метод розрахунку структурних характеристик МД, відрізняється тим, що на першому етапі обробки проводиться ідеальний поділ всієї території МД на РО виключно з розподілу джерел за критерієм мінімальної вартості мережі. На другому етапі межі ідеальних РО узгоджуються з місцевими умовами. Після цього територія РО поділяється на оптимальні ділянки ПРО за критерієм середньої щільності ЛД h.

Середня щільність ліній на території, що обслуговується МД

, (8)

де - кількість джерел і приймачів інформації в сегменті . Необхідна кількість ПРО:

,

де - довжина траси, що вибирається в якості головної; - оптимальна ширина ПРО при щільності ліній .

Для моделі з радіальною прокладкою вулиць, відповідно до запропонованої моделі, спочатку необхідно розділити територію МД на сектори. Для трапецеїдальних територій РО, доданки загального рівняння витрат (5), замінюємо значеннями, що відповідають радіальному способу забудови. Диференціювання цих витрат за площею приводить до рівняння третього ступеня, з котрого класичним способом можна одержати параметри РО. Якщо в одне ціле поєднують оптимальні РО уздовж сегменту магістрального доступу так, що основні лінії трапеції розташовуються ортогонально до траси транспортного доступу, то одержимо сектори, що мають форму конусу. Для того, щоб охопити всю зону обслуговування без пропусків і домогтися найменшої довжини транспортного сегменту, необхідно виходити із приблизно рівновеликих секторів. Для цього при

,

де - відстань між місцем розташування ВД і межею території МД, побудуємо оптимальний РО , співрозмірний середньої щільності ліній у секторах (рис. 7). Його довжина

,

де - оптимальна пропускна спроможність кабелю РО на ділянці при щільності ліній ; - ширина РО на ділянці території S. Тоді оптимальна площа РО визначається як

.

Для цього РО повинні виконуватися співвідношення:

.

Таким чином, отримано перше визначальне рівняння для ідеального поділу території на РО. Крім того, для повинне бути справедливо і співвідношення:

,

причому

.

Розрахунок необхідного центрального кута секторів ПРО здійснюється за формулою:

. (9)

Друге визначальне рівняння необхідно для визначення РО, у яких потрібна організація окремих ПРО, випливає зі співвідношення трикутника

. (10)

Запропонований метод включає оптимізацію довжини, пропускної спроможності ЛД та кількості, ємності і місць розміщення ВД і враховує містобудівні принципи і конфігурацію території, на якій створюється МД. Застосування методу дозволило створити програмний продукт для автоматизованого проектування мереж доступу, який дозволяє заощадити 15-20% коштів на проектування і допускає планування як повністю нових МД, так і модернізацію фрагментів існуючих абонентських мереж. Використання програмного комплексу також дозволяє скоротити терміни проектування і вартість побудови мереж доступу і позитивно позначається на ефективності її функціонування і експлуатації.

Висновки

У дисертації наведене теоретичне обґрунтування необхідності створення мережі доступу в сільській місцевості і доведено, що мережу доступу доцільно створювати шляхом модернізації існуючої абонентської мережі. Запропоновано нове вирішення наукової задачі оптимізації структурних характеристик ліній доступу користувачів до різних базових мереж.

При цьому отримано такі наукові та практичні результати:

1. На основі моделі G.902, а також інших моделей з рекомендацій МСЕ, виконана деталізована модель перспективної мережі доступу.

2. Показано, що для модернізації абонентської мережі при побудові мережі доступу найбільш важливими є структурні характеристики абонентських ліній. На основі аналізу структурних характеристик абонентських ліній, визначена можливість застосування обладнання xDSL та виділені в якості найважливіших наступні: довжина, ємність абонентського кабелю та наявність стиків кабелю з різним діаметром жил. Дослідження структурних характеристик абонентських ліній ряду сільських адміністративних районів Україні, дозволило виявити відсоток ліній не придатних для використання обладнання хDSL.

3. Проведений аналіз надання інфокомунікаційних послуг у міській та сільській місцевості виявив суттєві недоліки в організації доступу до послуг сільського населення. Доведено необхідність урахування особливостей сільської місцевості при розробці методу розрахунку мереж доступу.

4. Для виявлення подібності структур СТМ України зібрані і систематизовані структурні характеристики, виділені основні структури сільських адміністративних районів України. Виконано розподілення усіх сільських адміністративних районів на три класи. Виявлено, що близько 95% сільських адміністративних районів України відносяться до 1 і 2 класу, з точки зору територіальних і демографічних особливостей, для яких характерним є низький попит на інфокомунікаційні послуги, тому використання цифрових модемів для побудови мереж доступу заощаджує кошти при створені мережі.

5. Доведено, що отримані параметри для вибіркової групи характеристик АЛ не можна переносити на параметри всієї генеральної сукупності, однак можна оцінити центральні тенденції розподілу довжин АЛ, для чого вибірка була доповнена даними за різнотипними населеними пунктами сільської місцевості. Дослідження абонентських ліній сільських адміністративних районів непараметричними статистичними методами показало, що лише для 36% абонентських ліній сільських адміністративних районів можна констатувати відсутність відмінностей у групах, тому узагальнювати результати, отримані в даному дослідженні на всю генеральну сукупність абонентських ліній сільських телефонних мереж України неможливо.

6. Запропоновано метод оптимізації структурних характеристик ліній доступу при проектуванні перспективних мереж доступу у сільській місцевості для різних конфігурацій території, що обслуговується, та містобудівних рішень за критеріями сумарної вартості мережі та поверхневої щільності користувачів на території. До структурних характеристик ліній доступу віднесено довжину і пропускну спроможність ліній та кількість, місто розташування і пропускну спроможність вузлів доступу. Метод враховує структуру и функції доступу, які відповідають рекомендаціям МСЕ.

7. Застосування запропонованого методу визначення оптимальних структурних характеристик ліній доступу дозволило створити програмний продукт для автоматизованого проектування мереж доступу, який дає змогу скоротити терміни проектування і вартість мереж доступу та заощадити 15-20% коштів на її проектування і допускає планування як повністю нових мереж, так і модернізацію фрагментів існуючих абонентських мереж.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Котова А.И. Проблема передачи цифровой информации по аналоговым абонентским линиям / А.И. Котова // Цифрові технології. - Одеса: ОНАС, 2009. - № 6. - С. 85-88.

2. Котова А.И. Структурные характеристики абонентских линий / Г.С. Гайворонская, А.И. Котова // Холодильна техніка і технологія. - Одеса: ВЦ ОДАХ, 2009. - № 4 (120). - С. 78-81.

3. Котова О. І. Дослідження груп абонентських ліній сільських районів України / О.І. Котова // Збірник наукових праць. - К.: ВІТІ НТУУ "КПІ", 2010. - № 1. - С. 11-15.

4. Котова А.И. Выбор технологии доступа на основании анализа структурных характеристик существующих абонентских сетей / Г.С. Гайворонская, А.И. Котова // Холодильна техніка і технологія. - Одеса: ВЦ ОДАХ, 2010. - № 2 (122). - С. 63-67.

5. Гайворонская Г.С., Котова А.И. Основные задачи модернизации сетей пользовательского доступа // Зв'язок. - 2010. - №2 (90). -С. 32-36.

6. Котелевец А.И. Анализ использования беспроводных технологий в сетях абонентского доступа / Г.С. Гайворонская, А.И. Котелевец // Матеріали ІІІ Міжнародної науково-технічної конференції "Сучасні інформаційно-комунікаційні технології". - К.: ДУІКТ, 2007. - С. 47.

7. Котова А.И. Принципы построения сети доступа / А.И. Котова, С.В. Сахарова // Тези доповідей НТК факультету інформаційних технологій. - Одеса: ОДАХ, 2009. - С. 51.

8. Котова А.И. Исследование сети абонентских линий как объекта конкурентной разработки / А.И. Котова // Материалы 12-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке". - Харьков: ХНУРЕ, 2008. - С. 494.

9. Котова А.И. Некоторые аспекты модернизации сети доступа/А.И. Котова//Збірник тез НТК "Проблеми телекомунікацій".- К.: НТУУ "КПІ", 2008.- С. 358.

10. Котова А.И. Требования пользователей к сетям доступа/А.И. Котова//Материалы V Международной НТК студенчества и молодежи.- К.: ДУІКТ, 2008. - С. 71.

11. Котова А.И. Оценка параметров абонентских линий/Г.С. Гайворонская, А.И. Котова // Збірник тез науково-технічної конференції "Сучасні інформаційно-комунікаційні технології". - К.: ДУІКТ, 2008. - С. 62.

12. Котова А.И. Пример анализа абонентской сети/А.И. Котова // Збірник тез VIII міжнародної НТК "Математичне моделювання і інформаційні технології".- Одеса: ОДАХ, 2008.- С.23.

13. Котова А.И. Применение технологий xDSL на сети доступа / А.И. Котова // Збірник тез III Міжнародної науково-технічної конференції "Проблеми телекомунікацій". - К.: НТУУ "КПІ", 2009. - С. 95.

14. Котова А.И. Исследование структурных характеристик абонентских линий / Г.С. Гайворонская, А.И. Котова // Збірник тез НТК "Сучасні інформаційно-комунікаційні технології". - К.: ДУІКТ, 2009. - С. 78.

15. Котова А.И. Исследование структурных характеристик абонентских линий непараметрическими методами обработки статистики/Г.С. Гайворонская, А.И. Котова // Збірник тез IX міжнародної НТК "Математичне моделювання і інформаційні технології".- Одеса: ОДАХ, 2009. - С. 102.

16. Котова А.И. Современные модемы для цифрового доступа пользователей: Учебное пособие. Ч.3 / Г.С. Гайворонская, В.И. Сахаров, А.И. Котова, - Одесса: ОГАХ, 2008. - 56 с.

17. Котова О. І. Модеми цифрового доступу: методичний посібник по дисципліні "Системи доступу користувача" Ч 2 / Г.С. Гайворонська, В. І. Сахаров, О. І. Котова, - Одеса: ОДАХ, 2008. - 43 с.

Перелік умовних скорочень

ІМ - інформаційні мережі;

ТМ - телекомунікаційна мережа;

АЛ - абонентські лінії;

АМ - абонентська мережа;

ЛД - лінії доступу;

МД - мережа доступу;

ІКП - інфокомунікаційні послуги;

ТфЗК - телефонна мережа загального користування;

...