Проект реконструкции городской телефонной сети координатной системы в архитектуру NGN/IMS на базе многофункционального узла доступа (MSAN)

В эпоху стремительного развития цифровых технологий и повсеместного распространения IP-сетей, устаревшие городские телефонные сети (ГТС) координатной системы (РАТС) оказались на пороге полного морального и физического износа. Эти системы, основанные на технологии коммутации каналов (TDM), не только дороги в обслуживании и эксплуатации, но и не способны удовлетворить растущие потребности абонентов в мультисервисных услугах – от высокоскоростного доступа в интернет до передачи видео и VoIP. Актуальность проекта реконструкции ГТС заключается в создании современной, эффективной и масштабируемой телекоммуникационной инфраструктуры, способной предоставлять широкий спектр услуг.

Целью настоящей работы является разработка комплексного технического проекта реконструкции существующей координатной ГТС в архитектуру Сети Следующего Поколения (NGN) с использованием многофункциональных узлов доступа (MSAN). В рамках проекта будут решены следующие ключевые задачи: технико-экономическое обоснование перехода на NGN/IMS, выбор современного оборудования MSAN, разработка детализированной схемы организации связи, а также расчет пропускной способности и планов нумерации и IP-адресации. Это позволит не только модернизировать устаревшую инфраструктуру, но и заложить основу для дальнейшего развития сети в соответствии с мировыми стандартами и российскими нормативными требованиями.

Технико-Экономическое и Нормативное Обоснование Реконструкции

Эволюция и Ключевые Определения

Для начала погрузимся в мир телекоммуникаций, чтобы разобраться в ключевых терминах, которые определяют суть нашего проекта. Долгое время основу городской телефонной связи составляли РАТС (Районные Автоматические Телефонные Станции), или их более продвинутые аналоги АТСК (Автоматические Телефонные Станции Координатные). Эти системы представляют собой вершину развития аналоговой электромеханической коммутации, где каждое соединение абонентов формировалось физическим путем через сложную систему реле и коммутаторов. При всей своей надежности для своего времени, РАТС страдают от фундаментальных ограничений: они громоздки, энергоемки, дороги в обслуживании и, самое главное, не способны обрабатывать пакетный трафик данных, что делает их архаичными в современном цифровом мире. (Как эксперт, могу уверенно сказать, что попытки поддерживать такие системы — это «латание дыр», которое в долгосрочной перспективе приводит к значительно большим затратам и потере конкурентоспособности).

На смену этой эпохе пришла концепция NGN (Next Generation Network) – Сети Следующего Поколения. Это не просто обновление оборудования, а фундаментальное переосмысление архитектуры связи. NGN — это мультисервисная сеть, построенная на универсальной пакетной транспортной сети (как правило, IP/MPLS), которая обеспечивает конвергенцию голоса, данных и видео, предлагая неограниченный набор услуг и гибкое управление. Ключевая идея NGN – отделение функций управления вызовами и услугами от транспортной инфраструктуры, что достигается за счет использования программных коммутаторов (Softswitch).

Дальнейшим развитием NGN, ориентированным на расширенные мультимедийные сервисы, стала архитектура IMS (IP Multimedia Subsystem). Если NGN — это общая концепция, основанная на Softswitch, то IMS – это стандартизированный фреймворк, обеспечивающий полное функциональное разделение и унификацию предоставления всех видов мультимедийных услуг поверх IP-сети. IMS позволяет интегрировать и управлять разнообразными сервисами, от голосовых вызовов (VoIP) до видеоконференций и интерактивных приложений, предоставляя абонентам по-настоящему богатый пользовательский опыт.

В этом контексте MSAN (Multi-Service Access Node), или многофункциональный узел доступа, играет критически важную роль на «последней миле». MSAN – это пограничное устройство, которое обеспечивает подключение традиционных аналоговых телефонных аппаратов (POTS) и других абонентских линий (например, xDSL) к новой IP-сети. Он выступает в качестве моста между устаревшей медной инфраструктурой и современной пакетной магистралью NGN/IMS, преобразуя TDM-трафик в VoIP и наоборот. MSAN позволяет использовать существующую абонентскую кабельную сеть, что значительно снижает затраты и упрощает процесс миграции. (Это прямое преимущество для операторов, так как минимизирует капитальные вложения, позволяя получить новые возможности, не меняя весь «фундамент»).

Таким образом, реконструкция устаревших РАТС в NGN/IMS с использованием MSAN – это не просто модернизация, а стратегический переход к современной, эффективной и будущеориентированной инфраструктуре связи.

Экономическое Обоснование

Когда речь заходит о масштабных инфраструктурных проектах, таких как реконструкция телефонных сетей, экономическая целесообразность становится одним из краеугольных камней. Переход от морально и физически изношенных координатных АТС (РАТС/АТСК) к узлам доступа MSAN в архитектуре NGN/IMS обусловлен не только техническим прогрессом, но и значительными экономическими выгодами, которые позволяют операторам связи оптимизировать свои расходы и повысить рентабельность бизнеса.

Основной экономический эффект от этой трансформации заключается в резком сокращении эксплуатационных расходов. Устаревшие TDM-системы, с их многочисленными электромеханическими компонентами, требовали постоянного обслуживания, дорогостоящего ремонта и значительных затрат на электроэнергию. Замена этих энергоемких и сложных в эксплуатации систем на компактные, высокоинтегрированные IP-платформы, воплощенные в MSAN, приводит к колоссальному снижению энергопотребления – по некоторым оценкам, на 80-90%. (Это не просто цифры; это означает, что вы будете платить в разы меньше за электричество и значительно сократите углеродный след, что важно для экологии и корпоративной ответственности). Это обусловлено как более высокой эффективностью полупроводниковых компонентов по сравнению с реле, так и меньшими требованиями к охлаждению и площадям.

Кроме того, минимизируются затраты на ремонт и обслуживание. Новые системы MSAN обладают высокой надежностью, поддерживают дистанционное управление и диагностику, что сокращает потребность в высококвалифицированном персонале на местах и снижает время простоя сети. Модульная архитектура MSAN упрощает замену компонентов и масштабирование, а унификация оборудования на базе IP-протоколов позволяет стандартизировать процессы эксплуатации.

Немаловажным фактором является и возможность предоставления новых, высокомаржинальных услуг. Устаревшие АТС могли предоставлять лишь базовые голосовые услуги, тогда как NGN/IMS открывает двери для широкого спектра мультимедийных сервисов, включая широкополосный доступ в интернет, IPTV, видеоконференцсвязь и облачные сервисы. Это позволяет операторам связи не только удерживать существующих абонентов, но и привлекать новых, генерируя дополнительный доход и повышая общую конкурентоспособность. (Представьте: вы не просто сохраняете абонентов, но и открываете для них целый мир новых возможностей, что напрямую влияет на их лояльность и ваш доход).

Таким образом, реконструкция ГТС с заменой РАТС на MSAN – это не просто технический апгрейд, а стратегическая инвестиция в будущее, обеспечивающая долгосрочную экономическую эффективность и расширение возможностей бизнеса.

Нормативно-Техническая База РФ/СНГ

Любой проект в области телекоммуникаций, особенно такой масштабный, как реконструкция городской телефонной сети, должен базироваться на строгих нормативно-технических документах и стандартах. В Российской Федерации и странах СНГ эта база тщательно регламентирована, чтобы обеспечить совместимость, надежность и качество предоставляемых услуг.

Центральным документом, определяющим исходные нормы нагрузки и потерь для планирования городских и сельских телефонных сетей, является РД 45.120-2000 (НТП 112-2000) «Нормы технологического проектирования. Городские и сельские телефонные сети». Этот документ, разработанный Министерством Российской Федерации по связи и информатизации, хоть и относится к предшествующей эпохе, содержит фундаментальные принципы и расчетные нормативы, которые остаются актуальными для оценки телетрафика и планирования емкости голосовых каналов, в том числе и в IP-сетях. Он задает базовые показатели, такие как интенсивность нагрузки на абонента и допустимая вероятность потерь, которые необходимы для корректного проектирования любого сегмента сети, обрабатывающего голосовой трафик.

Современные требования к качеству обслуживания и устойчивости функционирования сетей связи общего пользования (ССОП) также строго регламентированы. Согласно Приказу Минцифры РФ от 25 ноября 2021 года № 1229 «Об утверждении Требований к организационно-техническому обеспечению устойчивого функционирования сети связи общего пользования», операторы обязаны обеспечить высокие показатели надежности. В частности, максимально допустимая доля несостоявшихся вызовов из-за технических неисправностей или перегрузки сети местной телефонной связи должна составлять не более 2% в Час Наибольшей Нагрузки (ЧНН). Этот норматив напрямую влияет на расчет пропускной способности проектируемых узлов доступа MSAN и является ключевым параметром для применения формулы Эрланга B.

Кроме того, существуют другие важные документы, регулирующие различные аспекты построения NGN/IMS, включая требования к системам сигнализации, обеспечению информационной безопасности, а также правила присоединения и пропуска трафика. Эти нормативные акты формируют исчерпывающую правовую и техническую базу, гарантирующую, что проект реконструкции будет соответствовать всем государственным стандартам и обеспечит высокое качество услуг для конечных пользователей. Соблюдение этих нормативов является не только залогом успешной реализации проекта, но и обязательным условием для получения лицензий и осуществления операторской деятельности.

Функциональная Архитектура NGN/IMS и Интеграция Узла Доступа

Четыре Логических Уровня NGN/IMS

Архитектура NGN/IMS представляет собой не просто набор отдельных устройств, а сложную, иерархически организованную систему, разделенную на логические уровни. Такое разделение позволяет обеспечить модульность, масштабируемость и гибкость в предоставлении услуг. Давайте рассмотрим эти четыре ключевых уровня:

1. Уровень доступа (Access Layer): Этот уровень является ближайшим к конечному пользователю и отвечает за его физическое подключение к сети. Именно здесь располагаются устройства, такие как MSAN (Multi-Service Access Node), которые мы рассматриваем в нашем проекте. MSAN принимает сигналы от традиционных абонентских линий (например, аналоговых телефонных аппаратов POTS по медным парам), преобразует их в пакетный формат (VoIP) и передает дальше в транспортную сеть. Он также может предоставлять широкополосный доступ в интернет (xDSL) и другие услуги. Главная задача уровня доступа – агрегировать абонентский трафик и обеспечить его передачу на транспортный уровень.
2. Транспортный уровень (Transport Layer): Иногда его называют уровнем коммутации или передачи. Это «скелет» NGN/IMS, обеспечивающий высокоскоростную и надежную передачу всех видов трафика (голос, данные, видео) в пакетном формате. Он построен на базе технологий IP/MPLS (Internet Protocol / Multiprotocol Label Switching), которые обеспечивают эффективную маршрутизацию и управление качеством обслуживания (QoS). Устройства транспортного уровня – это высокопроизводительные маршрутизаторы и коммутаторы, формирующие опорную сеть, по которой пакеты перемещаются между уровнем доступа, уровнем управления и уровнем услуг.
3. Уровень управления коммутацией (Control Layer): Это «мозг» NGN/IMS, где сосредоточена вся интеллектуальная логика сети. Исторически эту роль выполнял Softswitch (программный коммутатор), который координировал управление вызовами, сигнализацию и функции установления соединения, будучи отделенным от транспортного уровня. В более развитой архитектуре IMS Softswitch функционально разделяется на несколько компонентов, таких как MGCF (Media Gateway Control Function) и AGCF (Access Gateway Control Function), о которых мы поговорим подробнее. Этот уровень обрабатывает сигнальные протоколы (например, SIP, H.248), управляет соединениями, обеспечивает маршрутизацию вызовов и реализует функции взаимодействия с другими сетями.
4. Уровень услуг (Service Layer): Это «лицо» NGN/IMS, где реализуются все прикладные сервисы, доступные абонентам. Сюда относятся различные серверы приложений (Application Servers – AS), которые предоставляют дополнительные функции, такие как голосовая почта, конференц-связь, интерактивные голосовые меню (IVR), виртуальные АТС, а также интегрированные мультимедийные услуги (например, видеозвонки, мгновенные сообщения). Этот уровень позволяет операторам быстро разворачивать новые сервисы и адаптировать их под конкретные потребности абонентов, обеспечивая высокую гибкость и персонализацию.

Такое логическое разделение позволяет каждому уровню специализироваться на своих задачах, что повышает эффективность, упрощает управление и обеспечивает возможность независимого развития и масштабирования каждого компонента сети.

Функциональное Разделение Уровня Управления

Как мы уже упоминали, Softswitch является ключевым элементом NGN, несущим интеллектуальные функции. Однако в эволюции к полноценной архитектуре IMS произошло дальнейшее, более тонкое функциональное разделение, которое повысило модульность и управляемость сети. Softswitch, по сути, является предшественником и функциональным эквивалентом двух основных управляющих функций в архитектуре IMS:

1. MGCF (Media Gateway Control Function): Эта функция отвечает за управление межсетевыми шлюзами (Media Gateways – MGW), которые соединяют IP-сеть NGN/IMS с традиционными сетями с коммутацией каналов (ТФОП/TDM). MGCF преобразует сигнализацию между протоколами IP-сетей (например, SIP) и традиционными протоколами (например, ОКС7). Он контролирует MGW, указывая ему, как обрабатывать медиа-трафик (голосовые потоки), и обеспечивает корректное установление, поддержание и разъединение вызовов между различными сетевыми средами.
2. AGCF (Access Gateway Control Function): Эта функция аналогична MGCF, но специализируется на управлении шлюзами доступа, такими как наши узлы MSAN. AGCF выступает в качестве интерфейса между абонентским уровнем (где MSAN обеспечивает подключение аналоговых телефонов) и ядром IMS. Она контролирует MSAN, управляя функциями установления голосовых соединений для абонентов, подключенных через MSAN, и преобразует сигнализацию, специфичную для абонентского доступа (например, V5.2), в протоколы, понятные для IMS-ядра (например, SIP).

Это разделение позволяет более гибко управлять различными типами шлюзов и оптимизировать их взаимодействие с ядром сети, что критически важно для обеспечения высокого качества услуг и эффективной маршрутизации в гетерогенной сетевой среде.

Для поэтапной миграции, которая является характерной чертой реконструкции, MSAN должен поддерживать два ключевых интерфейса:

• V5.2 или PRI (потоки Е1) – для подключения к существующей устаревшей АТС (ТФОП/TDM). Интерфейс V5.2 является стандартом для подключения оборудования доступа к коммутационной станции, а PRI (Primary Rate Interface) использует потоки Е1 для предоставления 30 голосовых каналов. Это обеспечивает совместимость с уже развернутой инфраструктурой и плавный перевод абонентов.
• SIP или SIP-T – для подключения к Softswitch (или напрямую к ядру NGN/IMS) по IP-сети. SIP (Session Initiation Protocol) является основным протоколом сигнализации в NGN/IMS для установления, изменения и завершения мультимедийных сессий. SIP-T (SIP for Telephones) — это расширение SIP, которое позволяет передавать информацию о сигнализации ТФОП (например, ОКС7) внутри SIP-сообщений, обеспечивая более глубокую интеграцию и корректную обработку вызовов, транзитных через ТФОП.

Такая гибкость MSAN позволяет реализовать различные сценарии миграции, от параллельной работы с РАТС до полного перевода абонентов на IP-платформу.

Взаимодействие с Устаревшей Сетью (ТФОП)

Интеграция новой NGN/IMS архитектуры с существующей устаревшей телефонной сетью общего пользования (ТФОП), представленной РАТС/АТСК/АТСКУ, является одним из наиболее сложных и ответственных этапов проекта. Для обеспечения бесшовного взаимодействия и прозрачности обслуживания вызовов используется специализированный цифровой шлюз.

Этот цифровой шлюз функционально разделяется на два ключевых элемента, каждый из которых выполняет свою специфическую задачу:

1. MGW (Media Gateway): Этот компонент отвечает за преобразование медиа-трафика. Его основная функция — конвертация голосовых потоков между форматами TDM (временное разделение каналов), используемыми в ТФОП, и пакетными форматами RTP/RTCP (Real-time Transport Protocol / Real-time Transport Control Protocol), используемыми в IP-сетях (NGN/IMS). MGW принимает оцифрованные голосовые сигналы из потоков E1 (от ТФОП) и инкапсулирует их в IP-пакеты для передачи по опорной сети NGN/IMS, и наоборот.
2. SG (Signaling Gateway): Этот компонент занимается преобразованием сигнализации. Он является мостом между различными протоколами сигнализации, используемыми в ТФОП (например, ОКС7 – Общеканальная Система Сигнализации № 7, V5.2, DSS – Digital Subscriber Signalling System, R2 – сигнализация по отдельным каналам), и протоколами группы SIGTRAN (Signaling Transport), используемыми в IP-сетях. SIGTRAN – это набор протоколов (таких как M3UA, M2UA), которые позволяют передавать сообщения сигнализации ОКС7 поверх IP-сети. SG принимает сообщения сигнализации от ТФОП, переводит их в формат SIGTRAN и передает в управляющую функцию MGCF в ядре IMS. MGCF затем обрабатывает эти сообщения и взаимодействует с другими элементами NGN/IMS, используя, например, протокол SIP.

Таким образом, цифровой шлюз, состоящий из MGW и SG, обеспечивает полную совместимость и возможность обмена вызовами между абонентами устаревшей ТФОП и абонентами новой NGN/IMS. Это позволяет осуществлять плавную миграцию, сохраняя непрерывность обслуживания и постепенно переводя абонентов на современные IP-сервисы, не нарушая работу существующей инфраструктуры. (Ключевое здесь – это возможность постепенного перехода, что минимизирует риски и позволяет оператору гибко управлять процессом).

Выбор и Технический Анализ Оборудования MSAN

Критерии Выбора Оборудования

Выбор оборудования для реконструкции городской телефонной сети является одним из наиболее ответственных этапов проекта. От правильности этого выбора зависят не только технические характеристики будущей сети, но и ее экономическая эффективность, масштабируемость и долговечность. При выборе многофункционального узла доступа (MSAN) для миграции с устаревшей РАТС на NGN/IMS необходимо руководствоваться рядом критически важных критериев:

1. Поддержка абонентских линий POTS/FXS: Поскольку одной из главных задач является сохранение существующей абонентской кабельной инфраструктуры и подключение аналоговых телефонных аппаратов, MSAN должен иметь высокую плотность портов FXS (Foreign Exchange Subscriber) для подключения обычных телефонных линий (POTS – Plain Old Telephone Service). Это позволяет избежать дорогостоящей замены оконечного оборудования у абонентов.
2. Поддержка TDM-интерфейсов (E1, V5.2): Для бесшовной интеграции с существующей РАТС и поэтапной миграции, MSAN обязан поддерживать стандартные интерфейсы TDM, такие как потоки E1 (с возможностью работы по протоколам V5.2 или PRI). Это необходимо для подключения к устаревшей АТС и транзита голосового трафика на начальных этапах миграции.
3. Поддержка IP-транспорта (SIP/SIP-T): Для подключения к ядру NGN/IMS и обеспечения мультисервисных функций MSAN должен поддерживать современные IP-протоколы сигнализации, в частности SIP (Session Initiation Protocol) и его расширение SIP-T. Кроме того, необходимы высокоскоростные Ethernet-интерфейсы (Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet) для подключения к опорной IP/MPLS сети.
4. Масштабируемость и емкость: Оборудование должно обладать достаточной абонентской емкостью для обслуживания запланированного числа абонентов и иметь возможности для дальнейшего расширения без полной замены узла.
5. Надежность и резервирование: Для критически важной инфраструктуры связи, такой как телефонная сеть, необходима поддержка горячего резервирования ключевых компонентов (управляющие модули, модули питания, агрегирующие интерфейсы) для обеспечения высокой доступности и непрерывности обслуживания.
6. Соответствие нормативным требованиям РФ: Оборудование должно быть сертифицировано и соответствовать всем действующим российским нормам и стандартам в области связи.
7. Экономическая эффективность: Соотношение цены, функциональности и эксплуатационных расходов (включая энергопотребление).

Учитывая эти критерии, можно перейти к анализу конкретных моделей оборудования, представленных на рынке.

Детальная Спецификация (На примере Eltex MC1000-PX)

В качестве примера современного, функционального и соответствующего российским нормативам оборудования MSAN для реконструкции городской телефонной сети рассмотрим платформу Eltex MSAN MC1000-PX. Это решение отечественного производства, которое успешно применяется операторами связи для модернизации абонентского доступа.

Ключевые технические характеристики Eltex MC1000-PX:

• Максимальная абонентская емкость: До 1152 портов FXS (аналоговые абонентские линии). Это позволяет обслуживать значительное количество абонентов с одной платформы, что сокращает количество устанавливаемого оборудования и упрощает управление.
• Интерфейсы TDM: Поддержка до 16 потоков Е1. Это критически важно для подключения к существующей устаревшей РАТС по протоколам V5.2 или PRI, обеспечивая плавную миграцию и возможность поэтапного перевода абонентов. Каждый поток Е1 предоставляет 30 голосовых каналов, что дает суммарно 480 голосовых каналов для взаимодействия с ТФОП.
• Транспортные интерфейсы: Оборудование оснащено до 8 комбо-портов 10/100/1000BASE-T/1000BASE-X (медные RJ-45 и оптические SFP) и до 4 портов 10GBASE-X (оптические SFP+). Это обеспечивает высокую пропускную способность для подключения к опорной IP/MPLS сети NGN/IMS и гарантирует эффективную передачу мультисервисного трафика.
• Поддерживаемые протоколы VoIP: SIP и SIP-T. Это позволяет MSAN MC1000-PX полноценно интегрироваться с Softswitch или ядром IMS, обеспечивая установление голосовых и мультимедийных вызовов.
• Функциональные возможности:
  • Поддержка внутренней коммутации: MSAN способен осуществлять коммутацию местных вызовов (между абонентами, подключенными к одному узлу) на уровне доступа, что снижает нагрузку на центральный Softswitch и опорную сеть.
  • Горячее резервирование электропитания (-48 В DC): Обеспечивается высокая надежность питания за счет использования источников постоянного тока с возможностью резервирования.
  • Критическое преимущество: Сохранение существующей медной абонентской линии. Это ключевой фактор экономической эффективности, так как позволяет использовать уже проложенную кабельную инфраструктуру, с максимальной дальностью до 6 км, что является стандартом для городских условий.
• Обеспечение максимальной надежности: В Eltex MC1000-PX предусмотрено полное резервирование управляющих модулей, агрегирующих интерфейсов, а также модулей питания. Это реализует схему N+1 или 1+1 (например, два слота для управляющих модулей), что означает наличие резервного компонента, который автоматически включается в работу в случае отказа основного. Такое решение гарантирует непрерывное обслуживание вызовов и высокую отказоустойчивость системы, что критически важно для городской телефонной сети.

Выбор Eltex MC1000-PX для данного проекта обусловлен его сбалансированными характеристиками, способностью к плавной миграции, высокой надежностью и соответствием современным требованиям телекоммуникационных сетей.

Расчет Пропускной Способности Узла Доступа (MSAN)

Теоретические Основы Расчета

Определение требуемой пропускной способности и емкости узла доступа (MSAN) для голосового трафика — это задача, требующая применения строгих математических моделей. В основе этих расчетов лежит Теория телетрафика, которая позволяет прогнозировать поведение сетевых ресурсов под нагрузкой и оценивать качество обслуживания. Голосовые соединения в традиционных TDM-сетях, а также в NGN-шлюзах и MSAN, требуют выделения определенного ресурса (канала) на время разговора. Если все каналы заняты, новые вызовы будут потеряны (блокированы). Поэтому для таких систем применяется модель системы с явными потерями (Блокировка).

Ключевым инструментом для расчетов в этой модели является формула Эрланга B. Эта формула была разработана датским математиком Агнером Крарупом Эрлангом для анализа потерь в телефонных сетях и по сей день остается стандартом при проектировании коммутационного оборудования и пучков линий.

Формула Эрланга B (для расчета вероятности блокировки P_Б):

PБ(A, V) = [ (AV) / V! ] / [ Σi=0V (Ai / i!) ]

Где:

• A – суммарная телефонная нагрузка, поступающая на пучок линий (например, на потоки E1 или SIP-сессии MSAN) в Час Наибольшей Нагрузки (ЧНН). Измеряется в Эрлангах (Эрл). ЧНН – это период времени (обычно один час) в течение суток, когда сеть испытывает максимальную нагрузку. Суммарная нагрузка A рассчитывается как произведение числа абонентов M на интенсивность нагрузки, приходящуюся на одного абонента λ_аб:
  • A = M × λаб
• V – требуемое число каналов (линий) в пучке, способных обрабатывать голосовой трафик. Это может быть число голосовых каналов в потоке E1 (30 каналов) или число одновременно поддерживаемых SIP-сессий.
• M – общее число абонентов, подключенных к узлу доступа.
• λ_аб – интенсивность нагрузки, приходящаяся на одного абонента в ЧНН. Измеряется в Эрл/абонент и отражает среднюю активность одного абонента (время, в течение которого абонент занимает канал) в пиковый час.

Понимание этой формулы и ее компонентов позволяет инженерам точно определить, сколько каналов необходимо для обслуживания заданного числа абонентов с определенным уровнем качества, выраженным в допустимой вероятности потерь.

Исходные Данные по Нормативам РФ

Для выполнения корректных и обоснованных расчетов пропускной способности узла доступа MSAN необходимо опираться на актуальные нормативные документы, регламентирующие качество обслуживания и параметры телетрафика в Российской Федерации. Это позволяет гарантировать, что проектируемая система будет соответствовать государственным стандартам и обеспечивать требуемый уровень сервиса для абонентов.

Согласно РД 45.120-2000 (НТП 112-2000) «Нормы технологического проектирования. Городские и сельские телефонные сети» и современным требованиям Минцифры РФ (Приказ от 25 ноября 2021 года № 1229), установлены следующие ключевые нормативы:

1. Норматив вероятности потерь на местной телефонной сети (P_потерь):
   • Допустимая вероятность потери вызова из-за занятости ресурсов (блокировки) в Час Наибольшей Нагрузки (ЧНН) должна составлять не более 0,02 (2%). Этот показатель P_Б является ключевым входным параметром для формулы Эрланга B. Он отражает компромисс между стоимостью оборудования (количеством каналов) и уровнем удовлетворенности абонентов. Меньшее значение потерь требует большего числа каналов, но обеспечивает более высокое качество обслуживания.
2. Норма интенсивности нагрузки на абонента (λ_аб):
   • При отсутствии фактических статистических данных, собранных оператором связи для конкретного региона или категории абонентов, РД 45.120-2000 рекомендует использовать нормативные показатели. Эти показатели варьируются в зависимости от типа абонентов:
     • Для абонентов квартирного сектора (бытовые абоненты) рекомендуется принимать исходящую нагрузку в ЧНН на уровне 0,10-0,15 Эрл/аб.. Этот диапазон учитывает среднюю активность домашних пользователей.
     • Для абонентов учрежденческого сектора (офисы, предприятия, госучреждения) интенсивность нагрузки значительно выше и может достигать до 0,40 Эрл/аб.. Это связано с более интенсивным использованием телефонной связи в рабочее время.

В коммерческих расчетах, при отсутствии точных статистических данных и для обеспечения запаса прочности, часто принимается усредненное значение в диапазоне 0,10 Эрл/аб. — 0,40 Эрл/аб. Для целей нашего проекта, учитывая смешанный характер абонентской базы городской сети, мы примем усредненное значение 0,15 Эрл/аб., что является адекватной оценкой для большинства городских абонентов фиксированной связи.

Эти исходные данные формируют надежную основу для дальнейших расчетов, обеспечивая соответствие проекта требованиям российских регуляторов и гарантируя высокое качество услуг для конечных пользователей.

Пошаговый Расчет Емкости

Теперь, когда у нас есть теоретическая база и исходные нормативные данные, перейдем к практическому применению формулы Эрланга B для определения требуемой пропускной способности нашего узла доступа MSAN. Мы будем использовать в качестве примера максимальную абонентскую емкость выбранного MSAN Eltex MC1000-PX.

Исходные данные для расчета:

• Число абонентов (M): Примем максимальную абонентскую емкость MSAN MC1000-PX, равную 1152 абонента.
• Интенсивность нагрузки на абонента (λ_аб): Исходя из РД 45.120-2000 и усредненного значения для смешанного сектора, принимаем 0,15 Эрл/аб..
• Допустимая вероятность потерь (P_Б): Согласно Приказу Минцифры РФ от 2021 года, устанавливаем 0,02 (2%).

Шаг 1. Расчет суммарной нагрузки (A):
Суммарная нагрузка на узел доступа в Час Наибольшей Нагрузки (ЧНН) определяется как произведение числа абонентов на интенсивность нагрузки одного абонента.

A = M × λаб

Подставляем значения:

A = 1152 абонента × 0,15 Эрл/аб. = 172,8 Эрл.

Таким образом, на 1152 абонента в ЧНН будет поступать суммарная нагрузка в 172,8 Эрла.

Шаг 2. Расчет числа каналов (V) по формуле Эрланга B:
Для определения требуемого числа каналов V при заданных A = 172,8 Эрл. и P_Б = 0,02, обычно используются таблицы Эрланга B или специализированное программное обеспечение. Формула Эрланга B является рекурсивной и не имеет прямого аналитического решения для V, поэтому чаще применяются итерационные методы или предварительно рассчитанные таблицы.

Используя таблицы Эрланга B (или специализированные калькуляторы телетрафика), находим, что при нагрузке A = 172,8 Эрл. и допустимой вероятности потерь P_Б = 0,02, требуемое число каналов V составляет приблизительно 193 канала.

Это означает, что для обслуживания 1152 абонентов с принятыми нормативами необходимо, чтобы узел доступа MSAN мог одновременно обрабатывать 193 голосовых соединения без превышения допустимого уровня потерь.

Шаг 3. Расчет требуемого числа потоков E1 (N_E1):
Поток E1, используемый для взаимодействия с ТФОП, содержит 30 голосовых каналов. Чтобы определить, сколько потоков E1 потребуется, разделим общее число требуемых каналов на емкость одного потока E1.

NE1 = V / 30

Подставляем значения:

NE1 = 193 канала / 30 каналов/поток = 6,43 потока.

Поскольку число потоков должно быть целым, всегда производится округление в большую сторону для обеспечения необходимой пропускной способности.

Вывод: Для обслуживания 1152 абонентов со средней интенсивностью нагрузки 0,15 Эрл/аб. и обеспечением вероятности потерь не более 2% требуется 7 потоков E1.

Сравнивая этот результат с техническими характеристиками Eltex MSAN MC1000-PX, который поддерживает до 16 потоков Е1, мы видим, что выбранное оборудование обладает достаточным запасом пропускной способности. Это обеспечивает не только покрытие текущих потребностей, но и дает возможность для дальнейшего роста абонентской базы или увеличения нагрузки без необходимости замены оборудования, подтверждая правильность выбора MSAN.

Схема Организации Связи, План Нумерации и IP-Адресации

Схема Организации Связи

Для успешной реконструкции городской телефонной сети необходимо разработать четкую и функциональную схему организации связи, которая наглядно покажет интеграцию нового оборудования MSAN в архитектуру NGN/IMS и взаимодействие с существующей ТФОП. Эта схема представляет собой мост между традиционным TDM-миром и современным IP-пространством.

Общая концепция схемы организации связи:

В центре архитектуры NGN/IMS находится Softswitch (или MGCF/AGCF) – интеллектуальное ядро управления вызовами. К нему по IP-сети подключаются все элементы новой архитектуры, включая узлы доступа MSAN. Для взаимодействия с устаревшей ТФОП используются цифровые шлюзы.

Основные элементы и их взаимодействие:

1. Абоненты (FXS): Существующие аналоговые телефонные аппараты абонентов подключаются к узлу доступа MSAN по медным парам. MSAN сохраняет «последнюю милю» абонентской инфраструктуры.
2. Многофункциональный узел доступа (MSAN):
   • Функция Абонентского Шлюза: MSAN принимает аналоговые голосовые сигналы от абонентов (FXS) и преобразует их в пакетный формат (VoIP/RTP), а также выполняет обратное преобразование.
   • Подключение к Softswitch/MGCF: MSAN подключается к Softswitch/MGCF по опорной IP-сети NGN. Взаимодействие осуществляется по протоколам SIP/H.248 для сигнализации и RTP/RTCP для медиа-трафика.
   • Подключение к РАТС (стадия миграции): Для обеспечения плавного перехода, MSAN временно подключается к существующей координатной АТС (РАТС) через потоки Е1, используя протоколы V5.2 или PRI. Это позволяет MSAN работать параллельно с РАТС, обслуживая часть абонентов, и осуществлять транзит вызовов между старой и новой сетями.
3. Softswitch / MGCF (Media Gateway Control Function) / AGCF (Access Gateway Control Function): Это центральный управляющий элемент NGN/IMS.
   • Softswitch/AGCF: Управляет MSAN, координирует установление и завершение вызовов для абонентов, подключенных через MSAN.
   • Softswitch/MGCF: Управляет межсетевым шлюзом (MGW/SG), обеспечивая взаимодействие с ТФОП.
4. Межсетевой шлюз (MGW/SG — Media Gateway / Signaling Gateway): Этот элемент является критически важным для взаимодействия с устаревшей ТФОП.
   • SG (Signaling Gateway): Преобразует сигнализацию ТФОП (ОКС7, R2, DSS) в протоколы SIGTRAN (M3UA/M2UA) для передачи в MGCF.
   • MGW (Media Gateway): Осуществляет преобразование голосовых потоков между TDM (E1) и RTP/RTCP, управляемый MGCF.
   • Подключение к ТФОП: MGW/SG подключается к РАТС (или другим коммутаторам ТФОП) по потокам Е1 с использованием соответствующих сигнализаций (например, ОКС7).
5. Опорная IP/MPLS сеть: Это высокоскоростная пакетная транспортная сеть, которая связывает все элементы NGN/IMS между собой. Она обеспечивает передачу как сигнализации, так и медиа-трафика.
6. Серверы приложений (AS): Подключаются к Softswitch/IMS-ядру и предоставляют дополнительные мультимедийные услуги (видеосвязь, голосовая почта и т.д.).

Пример упрощенной схемы организации связи:

graph TD
    subgraph "Существующая ТФОП"
        РАТС -- E1 (ОКС7/V5.2) --> MGW/SG
    end

    subgraph "Архитектура NGN/IMS"
        MSAN_1(MSAN_1) -- Медные пары (FXS) --> ABONENT_1(Абонент 1)
        MSAN_1 -- Медные пары (FXS) --> ABONENT_2(Абонент 2)
        MSAN_N(MSAN_N) -- Медные пары (FXS) --> ABONENT_N(Абонент N)

        MSAN_1 -- SIP/RTP (IP/MPLS) --> SOFT_MGCF(Softswitch/MGCF/AGCF)
        MSAN_N -- SIP/RTP (IP/MPLS) --> SOFT_MGCF

        MGW/SG -- SIGTRAN/RTP (IP/MPLS) --> SOFT_MGCF
        SOFT_MGCF -- IP --> AS(Серверы приложений)
    end

Эта схема демонстрирует, как MSAN интегрируется в новую архитектуру, обеспечивая подключение абонентов и взаимодействие с ядром NGN/IMS, а также поддерживает связь с устаревшей ТФОП через цифровой шлюз, что является основой для плавного и контролируемого перехода.

План Нумерации и Функция МПН

Переход от традиционной ТФОП с фиксированной шестизначной нумерацией к гибкой IP-сети NGN/IMS требует тщательного планирования нумерации, чтобы обеспечить бесшовное взаимодействие между старой и новой системами, а также поддержать привычную для абонентов схему набора номера.

Основные принципы плана нумерации в NGN/IMS:

1. Сохранение существующей шестизначной нумерации: Для абонентов, особенно на этапе миграции, крайне важно сохранить их текущие телефонные номера. Это минимизирует неудобства и затраты на информирование о смене номеров. Новые узлы доступа (MSAN) должны поддерживать декодирование и обработку как декадного набора (импульсный набор), так и тонального набора номера (DTMF), что обеспечивает совместимость со всеми типами абонентских аппаратов.
2. Соответствие международному плану E.164: Несмотря на внутреннюю IP-природу NGN/IMS, внешнее взаимодействие с ТФОП и другими сетями общего пользования требует соответствия международному плану нумерации E.164.
3. Трансляция адресной информации: В NGN/IMS вызовы маршрутизируются на основе IP-адресов и унифицированных идентификаторов ресурсов (URI), таких как SIP URI (например, sip:user@domain.com). Однако абоненты ТФОП и аналоговые абоненты MSAN по-прежнему используют традиционные номера E.164. Здесь ключевую роль играет Медиатор Плана Нумерации (МПН).

Роль Медиатора Плана Нумерации (МПН):

МПН – это функциональный компонент, который, как правило, реализуется на уровне Softswitch/MGCF и является частью более общей подсистемы трансляции и маршрутизации. Его основная задача – осуществлять модификацию и трансляцию адресной информации между различными форматами:

• Трансляция E.164 в SIP/H.323 URI: Когда абонент ТФОП или абонент MSAN набирает шестизначный номер, МПН преобразует этот номер в соответствующий SIP URI для маршрутизации вызова внутри IP-сети NGN/IMS. Например, номер +7 (495) 123-45-67 может быть транслирован в sip:1234567@operator.ru.
• Обратная трансляция SIP/H.323 URI в E.164: При вызове из NGN/IMS в ТФОП МПН преобразует SIP URI обратно в формат E.164, понятный для коммутаторов ТФОП.
• Маршрутизация на основе транслированных данных: МПН использует полученные транслированные данные для определения оптимального маршрута вызова, будь то внутри NGN/IMS, в ТФОП, или в другие сети.

Функция МПН не только обеспечивает межсетевой (TDM-NGN) транзит, но и внутреннюю маршрутизацию в NGN, позволяя гибко управлять правилами набора номера, реализовывать короткие номера и специальные сервисы. Таким образом, благодаря МПН, абоненты могут продолжать использовать привычную шестизначную нумерацию, не задумываясь о сложности underlying IP-архитектуры.

Детализированный План IP-Адресации

В архитектуре NGN/IMS, основанной на IP-протоколах, грамотное планирование IP-адресации для каждого элемента сети, включая узел доступа MSAN, является критически важным. Оно обеспечивает не только связность, но и возможность управления, мониторинга, а также гарантирует качество обслуживания (QoS) для различных типов трафика.

Принципы IP-адресации MSAN:

1. Сегментация сети: Узел MSAN, будучи оконечным устройством, должен быть интегрирован в общую схему IP-адресации опорной сети NGN. Это требует выделения отдельных IP-подсетей для устройств доступа. Могут использоваться как частные (например, из диапазонов 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16) для внутренней сети, так и публичные IP-адреса для внешних интерфейсов, взаимодействующих с интернетом или другими операторами.
2. Адресация управляющих элементов: Для полноценного функционирования узла MSAN необходимо выделение как минимум трех логически разделенных статических IP-адресов в опорной сети. Это разделение не только улучшает безопасность, но и позволяет применять различные политики QoS и маршрутизации для каждого типа трафика:
   • Management IP (IP управления): Этот IP-адрес используется для административного доступа к MSAN (например, через SNMP, Telnet/SSH, Web-интерфейс) и для подключения к системе управления сетью (NMS – Network Management System). Он обеспечивает возможность удаленного конфигурирования, мониторинга состояния оборудования и сбора статистики.
   • Signaling IP (IP сигнализации): Этот адрес используется для обмена сигнальными сообщениями между MSAN и Softswitch/MGCF/AGCF. Для протоколов SIP и H.248 (MEGACO) требуется выделенный IP-адрес, чтобы обеспечить надежную и приоритетную передачу критически важной информации об установлении вызовов.
   • Media IP (IP медиа-трафика): Этот адрес предназначен для передачи RTP/RTCP потоков – собственно голосового (и видео) трафика. Для медиа-трафика часто требуются отдельные правила QoS, поскольку он чувствителен к задержкам и потерям пакетов. Разделение IP-адресов для сигнализации и медиа-трафика позволяет оптимизировать маршрутизацию и управление качеством для каждого типа трафика.

   Следует отметить, что для МПН (как узла управления), который реализуется на Softswitch, также требуется несколько внешних IP-адресов: для контроллеров и для системы управления OMS (Operations and Management System).

3. VLAN/VPN для QoS и безопасности: Для обеспечения качества обслуживания (QoS) и безопасности в NGN, голосовой трафик (VoIP), трафик данных (интернет) и управленческий трафик должны быть логически разделены. Это достигается использованием технологий VLAN (Virtual Local Area Network) или VPN (Virtual Private Network). Каждому типу трафика назначается свой VLAN ID, который проходит через коммутаторы опорной сети, обеспечивая его изоляцию и возможность применения специфических политик QoS. Например, голосовой трафик в своем VLAN может иметь высокий приоритет, чтобы минимизировать задержки, в то время как трафик данных – более низкий приоритет. Это требует соответствующей IP-адресации для каждого типа трафика на MSAN и на всех промежуточных устройствах сети.

Тщательно спланированная IP-адресация является фундаментом стабильной, безопасной и высокопроизводительной сети NGN/IMS, обеспечивая эффективное функционирование узлов доступа и всех остальных компонентов.

Заключение

Настоящий проект продемонстрировал комплексный подход к реконструкции устаревшей городской телефонной сети координатной системы (РАТС) в современную архитектуру NGN/IMS с использованием многофункциональных узлов доступа (MSAN). В результате проделанной работы были достигнуты все поставленные цели и решены ключевые задачи.

Мы детально обосновали экономическую и нормативную целесообразность перехода от энергоемких и морально устаревших TDM-систем к гибкой и масштабируемой IP-архитектуре, подчеркнув значительное сокращение эксплуатационных расходов (до 80-90% на энергопотребление) и необходимость соответствия актуальным нормативам Минцифры РФ (РД 45.120-2000), устанавливающим допустимую вероятность потерь не более 2% в Час Наибольшей Нагрузки.

Была подробно описана функциональная архитектура NGN/IMS, ее четыре логических уровня, а также роль MSAN как ключевого элемента доступа. Мы углубились в функциональное разделение Softswitch на управляющие функции MGCF и AGCF в контексте IMS, а также рассмотрели механизм взаимодействия с ТФОП через цифровые шлюзы MGW и SG, преобразующие сигнализацию ТФОП в протоколы SIGTRAN.

В качестве примера современного оборудования был выбран российский MSAN Eltex MC1000-PX, чьи технические характеристики (емкость до 1152 FXS, поддержка 16 E1, 10G порты и полное резервирование) полностью удовлетворяют требованиям проекта и обеспечивают высокую надежность и пропускную способность.

Особое внимание было уделено расчету пропускной способности узла доступа. Применяя принципы Теории телетрафика и формулу Эрланга B с использованием российских нормативов (λ_аб = 0,15 Эрл/аб., P_Б = 0,02), мы пошагово определили, что для обслуживания 1152 абонентов потребуется 7 потоков E1, что подтверждает достаточный запас пропускной способности выбранного оборудования.

Наконец, была разработана схема организации связи, детально проработан план нумерации с акцентом на функцию Медиатора Плана Нумерации (МПН) для бесшовной трансляции E.164 ↔ SIP URI, а также представлен детализированный план IP-адресации, включающий сегментацию IP-адресов на MSAN (Management IP, Signaling IP, Media IP) и применение VLAN/VPN для обеспечения QoS и безопасности.

Таким образом, данный проект является полностью готовым техническим расчетно-пояснительным документом, демонстрирующим всесторонний анализ, обоснованные технические решения и корректные расчеты, необходимые для успешной реконструкции городской телефонной сети. Успешная реализация данного проекта позволит не только значительно сократить эксплуатационные затраты и повысить надежность сети, но и заложить прочную основу для дальнейшего развития мультисервисных услуг, включая переход к более продвинутым технологиям доступа, таким как FTTH (Fiber to the Home), в соответствии с растущими потребностями цифрового общества.

Список использованной литературы

1. Бакланов, И. Г. NGN: принципы построения и организации. Москва: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2008.
2. Букрина, Е. В. Сети связи и системы коммутации: учебное пособие. Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007.
3. Башлы, П. Н. Современные сетевые технологии: учебное пособие. Москва: Горячая линия –Телеком, 2006.
4. Ромашова, Т. И. Система Si 2000 MSAN: учебное пособие. Новосибирск: СибГУТИ, 2008.
5. Росляков, А. В. и др. Сети следующего поколения NGN. Москва: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2009.
6. МЕТОД РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК УЗЛА ДОСТУПА СЕТИ NGN ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ ТРАФИКА ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ И ДАННЫХ. DOI: 10.33243/2518-7139-2018-1-2-83-88.
7. MSAN MC1000-PX (до 1152 FXS, 16 E1) Eltex. URL: https://eltexcm.ru/catalog/msan/mc1000-px/.
8. Теория телетрафика: Понятие о потерях, типы потерь, нормы потерь. URL: https://vvfmtuci.ru/wp-content/uploads/2016/06/07-Teoriya-teletrafika.pdf.
9. Техническое описание MSAN MC1000-PX Схема применения — Eltex. URL: https://eltex-co.ru/upload/iblock/d7c/d7c5ed24f3316f731c3c97e79532596d.pdf.
10. Приказ минцифры РФ от 01.08.2024 N 682 — Контур.Норматив. URL: https://kontur.ru/normativ/682.
11. Формула Эрланга для кол-центра — МТС Редспот. URL: https://exolve.mts.ru/blog/formula-erlanga-dlya-kol-centra.
12. Последовательность и различия между NGN, IMS, SDN, NFV. URL: https://shalaginov.com/2019/01/19/ngn-ims-sdn-nfv-triple-play-what-all-this-stuff-is-about-and-why-should-i-care/.
13. Телефонная нагрузка. URL: https://booksite.ru/locallib/tel/telefon_nagryzka/telefon_nagryzka.htm.
14. НОРМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ГОРОДСКИЕ И СЕЛЬСКИЕ ТЕЛЕФОННЫЕ СЕТИ. НТП 112-2000. РД 45.120-2000. URL: https://www.lawrussia.ru/texts/akty_17/akt17042.htm.
15. АРХИТЕКТУРА СЕТЕЙ СВЯЗИ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ. URL: http://elib.bsuir.by/handle/123456789/10850.
16. Архитектура сетей ngn. Протокол sip. Медиаторы. URL: https://studfile.net/preview/10185121/page:4/.
17. Сети следующего поколения NGN Next Generation Networks. URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2016-01/05-Makarenko.pdf.
18. Общая архитектура — Проектирование сетевой конфигурации на основе NGN решений. URL: https://vuzlit.com/1218173/obschaya_arhitektura.
19. Медиатор плана нумерации. URL: https://ekraninfo.com/doc/MPN_TO_4_3_25_11_2010.pdf.
20. Таблица N 1. Технические нормы на показатели функционирования сетей телефонной сети связи (Приказ Мининформсвязи РФ от 27.09.2007 N 113). URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_71465/3198083a21695f2e82548cc26e857af430e70339/.
21. Решения для сетей NGN/IMS — НТЦ Протей. URL: https://protei.ru/upload/iblock/c38/c38210103723f53856d2999e52c505fe.pdf.