автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Модели и алгоритмы расчета эксплуатационной надежности и отказоустойчивости телекоммуникационных систем

На правах рукописи

Перфильев Артем Евгепьевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ::

Москва 2012

005042520

005042520

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) на кафедре «Вычислительные системы и

сети».

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Жданов Владимир Сергеевич доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора ОАО "НТЦ промышленных технологий и аэронавигационных систем" Соломенцев Виктор Владимирович

доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора по научной работе ФГУП НИИ «Рубин» Лихачев Александр Михайлович ФГУП «предприятие по поставкам продукции управления делами президента РФ»

Защита диссертации состоится «31» мая 2012 г. в Д2. час. на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 при Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) по адресу: 109028 Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Автореферат разослан « ЙД » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ,—.

д.т.н., профессор s-\ \ H.H. Грачёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Операторы проводной связи столкнулись с ситуацией, когда дальнейшее развитие бизнеса по традиционной схеме приводит к снижению доходности. Практически все операторы признают тот факт, что близок тот момент, когда уже никакое внедрение новых технологий и никакие инвестиции не позволят сократить отставание от конкурирующих технологий, захватывающих все более серьезные позиции на рынке. К тому же опыт европейских и американских операторов говорит о том, что путь развития проводной телефонии практически себя исчерпал. Во всем мире отмечается уменьшение доли традиционных услуг проводной связи. Выход операторы видят в технологии следующего поколения (NGN - New Generation Network).

Переход к этой технологии позволит, прежде всего, предоставить клиенту весь спектр современных услуг, который абонент ожидает от провайдера. Как показывает практика, разработка и внедрение NGN сети во многом определяется заданными требованиями, выполнение которых зависит от качественного функционирования системы управления, определяющей пути эволюционного развития.

Эксплуатация NGN сетей показала, что устойчивость их функционирования во многом характеризуется эксплуатационной надежностью (ЭН) и отказоустойчивостью информационных направлений связи (ИНС). Данные свойства во многом зависят от состояния сетевых технологий и качества организации их эксплуатации.

В работе проведен анализ функционирования телекоммуникационной сети (ТКС), тенденции технического и технологического развития ТКС, соответствия методического аппарата оценки ЭН и отказоустойчивости ТКС возможностям системы восстановления, уровню технического и технологического развития ТКС. Это позволило сформулировать обобщенные и частные показатели и критерии ЭН и отказоустойчивости ТКС, которые легли в основу разработанных моделей.

Для оценки ЭН и отказоустойчивости на стадиях проектирования, создания и эксплуатации NGN сети должны учитываться "маскируемость" отказов аппаратно-программных средств связи (АПСС), избыточность элементов ТКС.

В отечественной и зарубежной научно-технической литературе широко представлен методический и математический аппарат по теории надежности и методам задания требований применительно к техническим системам. Этой проблемой занимался ряд крупных ученых РФ, США, Германии и других стран, такие как Сифоров В.И., Гнеденко Б.В., Соловьев А.Д., Беляев Ю.К., Ивченко Г.И. Каштанов В.А., Маслов А .Я., Рябиннн И.А., Рохмистров А.Н., Северцев H.A., Сидякин Н.М., Барлоу Р., Кокс Д., Прошан Ф., Шмидт П. и ряд других.

Тем не менее, в области исследования надежности и эффективности технических систем, еще остается не разрешенными некоторое количество задач по повышению эксплуатационной надежности, развитию сложных организационно-технических систем.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование эксплуатационной надежности и отказоустойчивости NGN сетей.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

• Построены структурная и графовая модели NGN сетей.

• Построена структурно-параметрическая модель процесса функционирования NGN сетей.

• Получены исходные данные для оценки эксплуатационной надежности и отказоустойчивости NGN сетей.

• Разработаны математические модели и алгоритмы эксплуатационной надежности и отказоустойчивости NGN сетей, удовлетворяющих требованиям различных классов потребителей.

• Произведена оценка параметров эксплуатационной надежности и отказоустойчивости NGN сетей.

• Описан процесс управления ресурсами NGN сетей при наличии отказов и повреждений аппаратно-про1раммных средств связи.

Научная новизна состоит в разработке математических моделей и алгоритмов для оценки эксплуатационной надежности и отказоустойчивости телекоммуникационных систем, позволяющих повысить качество работы с учетом требований к обслуживанию, а также разработана методика сбора и обработки

исходных данных для оценки эксплуатационной надежности и отказоустойчивости телекоммуникационных систем на основе мониторинга ресурсов.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в том, что созданная обобщенная методика сбора, обработки исходных данных для получения оценки ЭН, отказоустойчивости телекоммуникационных систем следующего поколения, позволяет обеспечить обслуживание потребителей сетевых ресурсов с заданным качеством.

Результаты диссертационной работы использованы при внедрении и эксплуатации телекоммуникационной сети следующего поколения компании ТрансТелеком. Разработан и внедрен комплекс программ управления ресурсами сети следующего поколения на основе моделей и алгоритмов, представленных в работе.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием методов математического моделирования; проведенными расчетами, подтверждающими их эффективность в конкретных предметных областях проектирования с заданной точностью; использованием в исследованиях методов теории графов; положительными результатами внедрения моделей.

Осповнмс научные положения и результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

■ структурно-параметрическая модель процесса функционирования

телекоммуникационной системы следующего поколения;

■ математические модели для оценки эксплуатационной надежности телекоммуникационной системы следующего поколения;

■ математические модели для оценки отказоустойчивости телекоммуникационной системы следующего поколения;

■ методика сбора и обработки исходных данных для оценки ЭН и отказоустойчивости телекоммуникационной системы следующего поколения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на международной научно-технической конференции «Information and Telecommunication Technologies in Intelligent Systems» (Испания, 2007г.)

- на международной научно-технической конференции «Information and Telecommunication Technologies in Intelligent Systems» (Швейцария, 2010r)

- на международной конференции по бизнес-информатике (Звенигород, 2007г.)

- на научно-методических совещаниях и семинарах компании ТрансТелеком

- на конференции молодых ученых и аспирантов МИЭМ (2007-2010 г.)

- на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительные системы и сети» МИЭМ (2007 - 2010 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложения. Работа изложена на стр., содержит иллюстрации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложена цель исследования, научная новизна, теоретическая и практическая ценность полученных результатов, методика исследования.

В первой главе рассмотрены тенденции и перспективы развития интегральных сетей связи. Самой перспективной технологией являются мультисервисная сеть связи (Next Generation Network — сети следующего поколения), ядром которой является опорная IP-сеть, поддерживающая полную интеграцию услуг передачи речи, данных и мультимедиа. Основное отличие сетей следующего поколения от традиционных сетей в том, что вся информация, циркулирующая в сети, разбита на две составляющие. Это сигнальная информация, обеспечивающая коммутацию и предоставление услуг, и непосредственно пользовательские данные, содержащие полезную нагрузку, предназначенную абоненту (голос, видео, данные).

Виды информации в зависимости от режимов коммутации, приоритетов и видов информационных сообщений (ИС) предлагается классифицировать по схеме,

а1

показанной на рисунке в виде трехмерной матрицы, элементы » которой

а

являются условными (закодированными) обозначениями запросов, т. е. — код запроса ]-го вида информации к-го приоритета на ¡-й режим коммутации. Каждый запрос, имеет характеристики (параметры) р0д, Тд, Од, которые могут быть фиксированы для каждого отдельного запроса, где р0д — максимальная допустимая вероятность искажения символа; Тд — максимально допустимая средняя задержка информационных сообщений пользователя (ИСП); — допустимая дисперсия времени задержки, В=ст2 (своевременность переноса ИСП).

Своевременности и достоверности передачи различных видов ИСП для разных классов потребителей предъявляются неоднородные требования. Так применительно к эксплуатационной надежности направлений связи нормируются требования не только по стационарным комплексным показателям и времени восстановления физических, логических соединений (ФЛС), но и требования к скорости устранения сбоев.

Классы сообщений Кг Тос, час Твс, мин Продолжитель ность отказа То, час Тв

I 0,999 350 8 <30 с 1200 10 мин

II 0,99 40 12 <10 мин 200 1,3 ч

III 0,9 5 24 < 3 ч 40 3,5 ч

Работы в области исследования надежности телекоммуникационных систем и их АПСС можно условно разделить на четыре направления: работы, в которых делается попытка оценить ЭН всей системы в целом; работы, посвященные разработке методов оценки ЭН отдельных информационных направлений ТКС; работы, в которых предлагаются методы оценки ЭН в целом, таких АПСС ТКС, которые сами по себе являются системами (автоматическая телефонная станция, кабельная магистраль и т.д.); работы, в которых применяется методика оценки надежности АПСС ТКС, таких как управляющие устройства, элементы каналообразующего оборудования и т.п.

Эксплуатационная надежность - способность системы функционировать с определенным качеством в заданный промежуток времени в реальных условиях эксплуатации при наличии технических отказов АПСС. Такое определение предполагает, что оценка эксплуатационной надежности ТКС должна сводиться к выяснению последствий влияния технических отказов и их маскируемости на качество ее функционирования. Этот подход взят в работе за основу. Современные ТКС представляют системы, которые отказывают в предоставлении своих ресурсов не только по причине технических отказов, но также из-за занятости ее элементов, ограниченности пропускной способности каналов (ФЛК), некачественного выполнения функций системы управления сетью (СУС), ошибок разработчика при разработке алгоритмов управления.

Под отказоустойчивостью ТКС понимается ее способность выполнять свои функции при повреждении внешней средой определенного числа АПСС. Качество обслуживания ТКС ее потребителей в особый период или в чрезвычайных ситуациях должно оставаться в пределах установленной нормы. Отказоустойчивость ТКС рассматривается как характеристика степени снижения вероятности выполнения основной целевой функции в результате повреждения внешней средой некоторой части ее элементов и ухудшения совокупности характеристик качества ее функционирования. Необходимость обеспечения минимальной пропускной способности в основных информационных направлениях связи (ИНС) в интересах потребителей 1-го класса с выполнением требований по эксплуатационной надежности (ЭН).

Таким образом, существующие методы оценки ЭН и отказоустойчивости не учитывают свойства "маскируемости" отказов, вероятностно-временные характеристики процесса управления качеством обслуживания потребителей, влияние неоднородных отказов и повреждений элементов телекоммуникационных систем на качество получаемых оценок.

Существующий методический аппарат свидетельствуют о недостаточной теоретической проработке методов оценки эксплуатационной надежности и отказоустойчивости телекоммуникационных систем в задачах сетевого мониторинга.

Во второй главе разработана структурно-параметрическая модель ТКС, обеспечивающая выделение задач системного мониторинга, направленных на реализацию управления качеством развития телекоммуникационных сетей. Данная модель отражает действенность мероприятий административного управления сетями, показателей ЭН и отказоустойчивости для передачи различных видов информационных сообщений пользователя (ИСП).

Уровень технического обслуживания обеспечивает прохождение информационных потоков, выполнение работ по техническому обслуживанию и текущему ремонту АПСС ТКС, а также решение задач по управлению

9

прохождением ИСП, контролю состояния каналов и сбора первичной статистической информации, необходимой для принятия обоснованных решений службами систем управления.

Службы оперативно-технического обеспечения (СОТО) и оперативно-технического управления (СОТУ) на основе мониторинга сети связи оценивают степень соответствия имеющихся ресурсов потребностям I, II и III классов по передаче различных видов ИСП и качества соответствия сервиса связи. Они вырабатывают предложения в административные органы управления по модернизации сетей и замене АПСС.

Планирование развития ТКС, а также варианты использования ресурсов осуществляется административными органами управления на основе обработки информации, полученной при помощи системного мониторинга, в том числе по показателям ЭН и отказоустойчивости различных ИНС и сети ТКС в целом.

Из рассмотренного следует, что качество решения комплекса оперативных и административных задач существенно зависит от методов и способов сбора, обработки первичной информации получаемой посредством системного мониторинга. Определение состояния АПСС, ИНС выявление и прогнозирование причин их изменения, локализации неработоспособных элементов и их восстановления, обеспечивается системой диагностики ТКС посредством реализации различных видов эксплуатационного контроля.

Разработаны математические модели для оценки ЭН информационных направлений связи ТКС, обладающих структурной, временной и функциональной избыточностью. ТКС содержит N коммутационных центров (1,2,3,...,i,...,N-l,N). С помощью физических каналов и линий связи отдельные коммутационные центры (КЦ) соединяются между собой. Совокупность каналов, соединяющих непосредственно КЦ, и КЦ, образуют ветвь b;j, которая характеризуется длиной У'ц, мощностью Bjj и показателями эксплуатационной надежности Ri,(t). Длина ветви V'jj определяется расстоянием между узлами i и j или другим параметром ветви, пропорциональным ее длине (например, коэффициентом связанности, количеством регенераторов или стоимостью). Мощность ветви Bjj определяется числом физических и логических каналов (ФЛК) в ветви Vy или их суммарной

пропускной способностью. В качестве показателя ЭН ветви может использоваться вероятность безотказной работы ФЛК.

ИСП или КИЕ, поступившие от пользователи! I, II, III, образуют поток сообщений

Каждый поток информационных сообщений пользователя (ИСП) в информационных направлений связи (ИНС) ТКС характеризуется видом

информации т1, интенсивностью и в общем виде определяется выражением

Каждый путь г^ между произвольной парой коммутационных центров (КЩ и КЦ сети связи характеризуется:

• длиной пути, определяемой суммой длин ветвей, входящих в этот

путь

• мощностью пути, определяемой минимальной мощностью ветвей, входящих в этот путь:

• эксплуатационной надежностью пути, зависящей от показателей надежности пучков ФЛК ветвей 11^(0 и оборудования коммутационных центров (КЩ), участвующих в образовании данного пути:

Совокупность путей, допустимых для передачи ИСП I, II, III классов с требуемым качеством между конкретными КЦ сети обеспечивающих установление ФЛС, образует конфигурацию информационного направления связи:

Отказы ФЛК ИНС сети образуют поток отказов ф^, который

характеризуется параметром потока отказов Этот показатель определяет

среднее число отказов в единицу времени и математически может быть представлен следующим выражением:

]к<ад2|

М'Н-^^-,

где г- количество АПСС, задействованных в сети; Рп (I, I + Л1:) - вероятность появления п отказов в интервале времени от I до I + Д1, которая в общем случае, может быть описана усеченным биномиальным распределением.

Изложенное позволяет сформулировать следующую методику решения задачи оценки эксплуатационной надежности (ЭН) ТКС:

1. Составляется модель исследуемой системы с выделением в ней ИНС между КЦ; и КЦ|, действующих в интересах различных потребителей.

2. Каждому элементу модели ставятся в соответствие параметры, характеризующие надежность элементов реальной ТКС и различные виды ее избыточности.

3. Определяются значения выбранных параметров (путем их аналитического расчета или в результате обработки статистических данных).

4. Формируется план распределения и маршрутизации трафика на ТКС.

5. Выбирается метод оценки ЭН с учетом принятой в ТКС системы обслуживания заявок, характера исходных данных и заданных точности и времени получения оценки.

6. Производится расчет и оценка ЭН ИНС и исследуемой ТКС в целом. Общая последовательность решения задачи, реализующая методику оценки

эксплуатационной надежности (ЭН) ТКС;

1. Формирование структурной модели ТКС с выделением в ней ИНС.

2. Формирование исходных данных для решения задачи оценки ЭН ИНС, образующих ТКС:

N - количество коммутационных центров, образующих ТКС; <1! - количество Ц ИНС, образуемых ТКС ¡=( 1,п), ]=(1,п);

ИГ' КГ' 1КТ " интенсивнос™ потоков ИСП в ^ ИНС вида Г) в интересах потребителей I, II, III классов, Т] = (1,<32) - количество видов ИСП, передаваемых через ТКС;

||Ц||\ |1»|\ Цл^"'|Р- количество образованных независимых путей прохождения ИСП т^вида в ^ ИНС для потребителей I, II, и III классов;

/¡¡(ті), у"гу(г]), у'"ги(г|) - допустимое число транзитов для ИСП ті-вида при прохождении через ТКС для потребителей І, II, III класса, обеспечивающих требуемую своевременность и достоверность (таблица) их прохождения в І^ИНС;

|ь0| - матрица связанности ТКС;

1'ь, Д, і'"ь - требуемое среднее время восстановления соединений в интересах потребителей І, II, III классов (таблица);

К'г, К"г, К'"г - требования к эксплуатационной надежности ИНС, действующих в интересах потребителей І, II, III класса (таблица);

У - матрица мощности ветвей Ь^, измеренная в количестве пучков ФЛК; \Vk-u = [\Ч-Ц |, \Л/К11;.ЧУц-ц м ] - надежность коммутационных центров; ЦУ^Ц - матрица пучков ФЛК Ц ветви, измеренная в стандартных ФЛК;

[Лы,и|| - матрица интенсивности потоков отказов стандартных ФЛК, образующих Ьу ветвь;

- минимальная величина числа отказавших ФЛК Ьу ветви ТКС; Щ"- среднее время передачи ИСП г|-внда через Ц ветвь ТКС;

ЦРзипцЦ " вероятность достаточности ЗИП для восстановления АПСС, образующих Ьц ветвь ТКС;

||ри|| - достоверность диагностики ФЛК в Ьу ветви ТКС; ||к II

И ''"И - допустимое количество отказавших ФЛК в Ц пучке Ц ветви ТКС; ||к II

II II . количество структурных уровней АПСС, образующих Ну пучок ФЛК в Ь,, ветви ТКС;

|Ь II

II '''II - матрица интенсивностей отказов стандартных ФЛК в пучках дублирующих Ь„ ветвь у ИНС;

и н> н и» к п пі

Е- г. ЕЛ

II '1!ііі(і2і И «іі(іііі2> II ''Илаг. нагрузка на ветви ТКС для передачи ИСП сі2-вида в (її ИНС в интересах потребителей І, II, III классов.

3. Определение коэффициентов временной избыточности 1-го типа пучков ФЛК ветвей ИНС ТКС для всех видов на основе

11 еО+у) I I1

для Г] видов задания; у=(1^; = 1ЛБу, требует случайного времени обработки, характеризуемого средней величиной ^=1^; восстановление работоспособности производится в среднем за время 1/ц, где р - интенсивность восстановления; Л- суммарный поток отказов АПСС, образующих пучки ФЛК в ИНС

4. Определение коэффициентов временной избыточности И-го типа пучков ФЛК ветвей ИНС ТКС для всех видов ИСП на основе

Рзип $ - задана; Р^ - задана; т8 - находится по таблице, время устранения отказов; ао^А^Лх и Ьв=Л2/Л£ , Л] и Лг - параметры недоступности и доступности восстановления работоспособности частей ИНС ТКС, Ах - общее число отказов; 1|,!,'шь - задано в результате решения задач сетевого мониторинга, из выражения 1-ехр (т8Ль) определяется У(тг) - время восстановления.

5. Определение обобщенного коэффициента временной избыточности пучков ФЛК ветвей ИНС, ТКС для всех видов ИСП на основе

(Л + цХЛ + ё) | 1

сі(Л + ц + с1 + §) а9+Ь0[1-У(т8]Р1(ШРе]

-1.

6. Определение коэффициента функциональной избыточности 1-го типа для пучков ФЛК ветвей ИНС ТКС для всех видов ИСП на основе

(¿Ш^Жьо,

- задано, «1=1/(1-7,), у-, = п^ЛЧ), ^ - интенсивность отказов элемента .¡-го уровня, Ш| - допустимое число отказавших ФЛК, N1 - общее количество коммутационных центров.

7. Определение коэффициента обобщенной избыточности с учетом резерва

пучков ФЛК: 1,1 на основе

= (л), где Ь\ (д:) коэффициент избыточности на основе

Ь'(М,1„) = -

1-1

8'.

ІА+ОІ

ё\

.0.+1).

для структур пучков ФЛК ИНС ТКС в целом, где М - общее число ФЛК в пучке ИНС ТКС; ¿і - весовой коэффициент в общем потоке повреждений и отказов ^го АПСС, образующего ФЛК для передачи данного вида ИСП ТКС, определяемый соотношением:

§ j M '

n = l

где Xj - интенсивность отказов j-ых АПСС, функционирующих на п-ом организационном уровне.

8. Определение ЭН пучков ФЛК образуемых ИНС (для каждого вида ИНС и каждого класса потребителей)

Pn =S[]L^[y"y)K{i?(l-Kracp[-,Ev.J(z) =

j-y Jпк( KraJ iM-y.-jji/l 5 raj. •

где LiV кол-во каналов; Кпк - коэффициент простоя одного ФЛК, характеризующий систему с восстановлением; у - постоянная составляющая потока отказов АПСС, зависящая от качества организации процесса их восстановления на техническом уровне; у, - постоянная составляющая занятых ФЛК; Z - нагрузка на ветви ТКС для передачи информационных сообщений пользователя (ИСП).

9. Определение ЭН b,j ветвей для ИНС при наличии Хг одинаковой мощности на основе

w(J«) = 1-n{1-iT%te)}-n(1-ft(1-w,i(hii))]. гДе w4r - вероятность

безотказной обработки ИСП ¡у: -м КЦ r-го из L допустимых путей, уг- число допустимых транзитов для данного вида ИСП, %г~ количество пучков ФЛК в одной ветви г-го пути, \Vrji(h,j) - вероятность безотказного обслуживания заявок потребителей на ресурсы Jy ИНС в r-ом пути, 1-го пучка ФЛК.

10. Расчет ЭН всех конфигураций ИНС, образованных ТКС в интересах потребителей I, II, III классов.

1 ¡.Сравнение полученных результатов с требуемыми (заданными в таблице)

В третьей главе разработаны модели для исследований свойств отказоустойчивости NGN сети, показавшие необходимость разбиения последних на отдельные информационные направления из-за неодинаковости требований, предъявляемых к качеству обслуживания потребителей I, II, III классов. Сформулирована последовательность решения задачи оценки отказоустойчивости ТКС следующего поколения:

1. По топологии ТКС составляется схемно-графическая (или аналитическая) модель этой системы или совокупность таких моделей для выделенных ИНС потребителей I, И, и III классов и конкретных видов ИСП.

2. Определяется характер функционирования элементов ТКС, ее эксплуатационная надежность и вероятностно-временные параметры реакции СОТУ и СОТО на изменение состояния системы.

3. Для каждого элемента модели определяется вероятность его отказа, а по параметрам функционирования СОТО и СОТУ - временные параметры восстановления.

4. В соответствии с требованиями по быстродействию, предъявляемыми системой управления к доставке ИСП определенного вида, определяется допустимая величина времени задержки информации в ТКС.

5. Выбирается метод оценки отказоустойчивости сети.

6. В соответствии с выбранными методом и моделями производится оценка отказоустойчивости ИНС, и ТКС в целом для всех классов потребителей.

Разработана методика оценки отказоустойчивости ТКС следующего поколения на базе разработанных моделей:

1. На основе топологии ТКС, раскрывающей взаимное расположение КЦ, маршруты прохождения пучков, ветвей каналов и учитывающей интересы потребителей различных классов, строится схемно-графическая модель ТКС.

2. Определяется вид системы управления устранением неисправностей ИНС ТКС.

3. Вводятся исходные данные:

определяется вероятность своевременного устранения неисправностей ТКС, ИНС ТКС для всех видов ИСП и всех классов потребителей. Где |ИВ -интенсивность освобождений исполнительного органа СОТУ; Х0 - параметр

4. По

Р2 = Р(*Р > О = 1

_Гн_

(к - +1)

[ехр [- (Х0 - Цв)те] - 1}

потока требований на устранение нарушений конфигурации связности ТКС; т - допустимое время пребывания заявки в СОТУ.

5. Определяется отказоустойчивость ТКС:

Н(0)= 1 -Р,(1:)Р2(1), где Р|(Ч) - вероятность нарушения связности

с

конфигурации сети; Р, — (яг) = (I — З2"™". гДе Р™- минимальное число ребер, удаление которых приводит к несвязному графу.

Определяется отказоустойчивость ИНС ТКС:

¿„(С) Г Уг,| тг+2 ]

^у) = 1 ~ П г ~ П [' ~ ^ )1П ^ _ Р) )] п'г}' гДе - максимально

допустимое алгоритмами КЦ число остовов, попарно не имеющих в графе 0(Н,М) ТКС общих ребер;

допустимое число уг транзитных коммутационных центров (КЦ); Р(шу) - вероятность выхода из строя ветви; Р(п,) - вероятность выхода из строя коммутационного центра (КЦ)

6. По методике указанной в главе 2 определяется ЭН ТКС, ИНС ТКС в интересах потребителей 1-го класса.

7. Оценивается ожидаемая пропускная способность ТКС:

Н(0) = X ¡Д1; }, где с!г количество ИНС, организуемых для

потребителей данного класса, (1г- количество видов ИСП, которые должны передаваться через ТКС для данного вида потребителей, В|. - пропускная способность, необходимая для передачи данного вила ИСП для потребителей данного класса, 1Г, (Г)- отказоустойчивость одного ИНС

8. Полученные значения сравниваются с требуемыми величинами и делается вывод о состоянии ТКС.

В четвертой главе разработана методика сбора и обработки исходной информации для решения задачи системного мониторинга по оценке эксплуатационной надежности и отказоустойчивости, обеспечивает решение задачи оценивания состояния АПСС и элементов ТКС различными методами:

инструментально-расчетными и статистически расчетными с учетом неоднородности исходных данных. Разработанная методика позволит формировать рациональные решения СОТУ и СОТО и обоснованно планировать эксплуатацию ТКС; рассчитывать вероятность безотказной работы каждого элемента ТКС достигаемых при реализации способов построения системы диагностического обеспечения, создание запасов ЗИП, формирования избыточности ИНС, прогнозировать качество обслуживания потребителей разных классов.

Информация, необходимая для решения поставленной задачи, должна включать в себя следующие данные:

1. Результаты инструментального контроля параметров АПСС ТКС,

подверженных постепенным отказам, приведённые в таблице.

№ п/п Наименование исходных данных Обозначение Размерность

1 Количество определяющих параметров АПСС N. ед.

2 Результаты периодического контроля определяющих параметров АПСС (V -номер параметра -1 - номер измерения) ед. изм. физической величины

3 Число измерений параметров П| ед.

4 Значения границ допусков: - нижняя граница поля допуска - верхняя граница поля допуска ед. изм. Физ. величины ед. изм. Физ. величины

5 Интервал упреждения прогноза 1пр Цикл

6 Предельно допустимое значение вероятности отказа элемента р 1 ор Безразмерная

2. Результаты сбора информации о внезапных отказах ЛПСС, приведенные в

таблице.

№ п/п Наименование исходных данных Обозначение Размерность

1 Выборочные значения наработки АПСС до отказа *г Цикл

2 Выборочные значения наработки АПСС до цензурирования Цикл

3 Число наработок до отказа г ед.

4 Число наработок до цензурирования п ед.

5 Объем выборки N ед.

3. Структурная схема надёжности комплекса АПСС, образующего КЦ, ветви ТКС для различных режимов его применения по назначению в составе сети.

4. Сведения о составе резервных АПСС.

5. Требуемая ЭН каждой конфигурации ИНС ТКС.

Первоочередными задачами при создании системы сбора информации, адаптации ее к новым условиям эксплуатации являются:

1. Разработка форм документов и базы данных (БД), необходимых для целенаправленного и эффективного сбора эксплуатационных данных о текущем ТхС и изменении контролируемых параметров по элементам ТКС.

2. Автоматизация процессов сбора и первичной обработки информации о контролируемых параметрах и ТхС, переход к непрерывному мониторингу ТхС элементов ТКС.

Приведены алгоритмы, моделирующие процесс функционирования ТКС в реальных условиях эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена и реализована структурно-параметрическая модель ТКС, обеспечивающая выделение задач системного мониторинга, направленных на реализацию управления качеством развития телекоммуникационных сетей.

2. Разработаны математические модели для оценки эксплуатационной надежности NGN сети, обладающие структурной, временной и функциональной избыточностью в интересах решения задач сетевого мониторинга (влияние на качество обслуживания потребителей разных классов при передаче через сеть разных видов сообщений).

3. Разработаны математические модели для оценки отказоустойчивости NGN сети, показавшие необходимость разбиения сети на отдельные информационные направления из-за неодинаковых требований, предъявленных к качеству обслуживания потребителей.

4. Разработана методика сбора, обработки исходных данных для оценки ЭН и отказоустойчивости NGN сети, обеспечивает решение задачи оценивания состояния АПСС и элементов ТКС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Перфильев А.Е. Алгоритм оценки эксплуатационной надежности и отказоустойчивости мультисервисных телекоммуникационных систем "Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах", Испания - 2007. - С. 110-122.

2. Перфильев А.Е. Модели расчета эксплуатационной надежности NGN сетей "Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах", Швейцария -2010. - С. 143-147.

3. Перфильев А.Е. Проблемы оценки эксплуатационной надежности и отказоустойчивости мультисервисных телекоммуникационных систем // Тезисы докладов НТК молодых ученых и аспирантов МИЭМ. - 2007.

4. Перфильев А.Е. Анализ возможности передачи речи по сети передачи данных Frame Relay и VOIP // Тезисы докладов 1-ой международной конференция по бизнес-информатике, Звенигород - 2007.

5. Перфильев А.Е. Сравнение методов передачи речи VOFR и VOIP // Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии, сб. научных трудов МИЭМ. - 2008. - С. 112-116.

6. Перфильев А.Е. Показатели эксплуатационной надежности и отказоустойчивости ТКС // Тезисы докладов НТК молодых ученых и аспирантов МИЭМ. - 2008.

7. Перфильев А.Е. Расчет показателей надежности для повышения качества ТКС «Качество. Инновации. Образование» №10 - 2009.

8. Перфильев А.Е. Мониторинг эксплуатационной надежности и отказоустойчивости мультисервисных ТКС // Тезисы докладов НТК молодых ученых и аспирантов МИЭМ. - 2009.

9. Перфильев А.Е. Методика оценки эксплуатационной надежности мультисервисных ТКС // Тезисы докладов НТК молодых ученых и аспирантов МИЭМ. - 2010.

10. Перфильев А.Е. Оценка эксплуатационной надежности и отказоустойчивости телекоммуникационной системы методом имитационного моделирования «Естественные и технические науки» № 3-2011.

Подписано в печать 20.04.2012 г. Формат 60x90 1/16 Печать на ризографе. Тираж 100 экз. Заказ № 7907. Объем: 1,0 усл. п.л.

Отпечатано в типографии ООО "Алфавит 2000", ИНН: 7718532212, г. Москва, ул. Маросейка, д. 6/8, стр. 1, т. 623-08-10, www.alfavit2000.ru

61 12-5/3131

На правах рукописи

Перфильев Артем Евгеньевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

05.12.13 - «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Жданов В.С.

Москва 2012

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) на кафедре «Вычислительные системы и

сети».

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Жданов Владимир Сергеевич доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора ОАО "НТЦ промышленных технологий и аэронавигационных систем" Соломенцев Виктор Владимирович

доктор технических наук, профессор, заместитель генерального Директора по научной работе ФГУП НИИ «Рубин» Лихачев Александр Михайлович ФГУП «предприятие по поставкам продукции управления делами президента РФ»

Защита диссертации состоится «31 » мая 2012 г. в 12:00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 при Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) по адресу: 109028 Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Автореферат разослан «21» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Н.Н. Грачёв

Операторы проводной связи столкнулись с ситуацией, когда дальнейшее развитие бизнеса по традиционной схеме приводит к снижению доходности. Практически все операторы признают тот факт, что близок тот

I

момент, когда уже никакое внедрение новых технологии и никакие инвестиции не позволят сократить отставание от конкурирующих технологий, захватывающих все более серьезные позиции на рынке. К тому же опыт европейских и американских операторов говорит о том, что путь развития проводной телефонии практически себя исчерпал. Во всем мире отмечается уменьшение доли традиционных услуг проводной связи. Выход операторы видят в технологии следующего поколения (NGN - New Generation Network).

Переход к этой технологии позволит, прежде всего, предоставить клиенту весь спектр современных услуг, который абонент ожидает от провайдера. Как показывает практика, разработка и внедрение NGN сети во многом определяется Эксплуатация NGN сетей показала, что устойчивость их функционирования во многом характеризуется эксплуатационной надежностью (ЭН) и отказоустойчивостью информационных направлений связи (ИНС). Данные свойства во многом зависят от состояния сетевых технологий и качества организации их эксплуатации.

В работе проведен анализ функционирования телекоммуникационной сети (ТКС), тенденции технического и технологического развития ТКС, соответствия методического аппарата оценки ЭН и отказоустойчивости ТКС возможностям системы восстановления, уровню технического и технологического развития ТКС. Это позволило сформулировать обобщенные и частные показатели и критерии ЭН и отказоустойчивости ТКС, которые легли в основу разработанных моделей.

Для оценки ЭН и отказоустойчивости на стадиях проектирования, создания и эксплуатации NGN сети должны учитываться "маскируемость" отказов аппаратно-программных средств связи (АПСС), избыточность элементов ТКС.

В отечественной и зарубежной научно-технической литературе широко представлен методический и математический аппарат по теории надежности и методам задания требований применительно к техническим системам. Этой проблемой занимался ряд крупных ученых РФ, США, Германии и других стран, такие как Сифоров В.И., Гнеденко Б.В., Соловьев А.Д., Беляев Ю.К., Ивченко Г.И. Каштанов В.А., Маслов А.Я., Рябинин И.А., Рохмистров

А.Н., Северцев H.A., Сидякин Н.М., Барлоу Р., Кокс Д., Прошан Ф., Шмидт

i

П. и ряд других.

Тем не менее, в области исследования надежности и эффективности технических систем, еще остается не разрешенными некоторое количество задач по повышению эксплуатационной надежности, развитию сложных организационно-технических систем.

Целью диссертационной работы исследование эксплуатационной надежности и отказоустойчивости NGN сетей.

Объектом исследования в работе является эксплуатационная надежность и отказоустойчивость NGN сетей.

Цель работы и объект исследования позволяют определить предмет исследования диссертационной работы: модели и алгоритмы расчета эксплуатационной надежности и отказоустойчивости

телекоммуникационных систем, обеспечивающих качественную доставку информации.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Построены структурная и графовая модели NGN сетей.

2. Построена структурно-параметрическая модель процесса функционирования NGN сетей.

3. Получены исходные данные для оценки эксплуатационной надежности и отказоустойчивости NGN сетей.

!

4. Разработаны математические модели и алгоритмы эксплуатационной надежности и отказоустойчивости NGN

сетей, удовлетворяющих требованиям различных классов потребителей.

5. Произведена оценка параметров эксплуатационной надежности и отказоустойчивости NGN сетей.

6. Описан процесс управления ресурсами NGN сетей при наличии отказов и повреждений аппаратно-программных средств связи.

Научная новизна состоит в разработке математических моделей и алгоритмов для оценки эксплуатационной надежности и отказоустойчивости телекоммуникационных систем, позволяющих повысить качество работы с учетом требований к обслуживанию, а также разработана методика сбора и обработки исходных данных для оценки эксплуатационной надежности и отказоустойчивости телекоммуникационных систем на основе мониторинга ресурсов.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И

ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

1.1. Тенденции и перспективы развития автоматизированных интегральных сетей связи

Научно-технический прогресс определил несколько этапов развития и совершенствования сетей связи [2,5]. Это создание выделенных сетей телефонной связи, передачи данных и др. на основе аналоговых средств, цифро-визация телефонной сети, интеграция служб, глобализация и интеллектуализация сетей, а также реализация принципов универсальной персональной связи. На развитие сетей электросвязи, являющихся базой для применения современных телекоммуникационных технологий, влияют две группы факторов: внешние и внутренние [3,5,6].

Воздействие внешних факторов обусловлено, прежде всего, динамикой развития информационных сетей, обеспечивающих получение, накопление, использование и распространение информации в интересах политических, экономических и военных органов управления страной.

Влияние внутренних факторов связано, в основном, с существенными качественными изменениями как элементов сетей электросвязи: коммутационных станций, систем передачи, линий передачи различных родов связи и уровней иерархии первичных сетей; вторичных, абонентских (пользовательских) сетей; терминалов (оконечного оборудования), так и развитием технологий управления данными элементами и сетями в целом.

Рассмотрим кратко основные из перспективных технологий построения ТКС[1,2,4,5]. !

1. Для построения высокоскоростных автоматически коммутируемых цифровых магистралей со скоростями 52, 155, 622 Мбит/с 2,488 Гбит/с и выше, применяется технология образования и выделения цифровых потоков на основе синхронных цифровых иерархий. Их оборудование позволяет за счет применения синхронных меток, формирования контейнеров, применения побайтных сложений в узлах коммутации транспортных сетей без дополнительных разборок и сборок выделять необходимые цифровые потоки 64 Кбит/с, 2,048, 8, 34, 155 Мбит/с и обеспечивать тем самым значительные снижения задержки сигналов при транзитных соединениях. В основе применения данной технологии лежит ориентация на волоконно-оптические линии связи. Однако в последнее время разработаны радиорелейные станции, обес-

! печивающие образование транспортных магистралей с применением субвиртуальных контейнеров со скоростью передачи 52 Мбит/с.

2. Технология высокоскоростной передачи на оптическом волокне со спектральным разделением, позволяющая строить распределенные сети с магистралями с практически неограниченной скоростью, высокоскоростной оптической коммутацией, с высоким качеством и эксплуатационной надежностью передачи информации вплоть до образования мультимедийных конференций.

3. Технология пакетной коммутации с использованием виртуальных

1

соединений, основанные на применении идеологии пространственно-временной коммутации пакетов данных на основе протоколов Х.25 и их модификаций. Данная технология обладает хорошо проработанным алгоритмическим обеспечением реализации управления процессом передачи. Она обеспечивает удовлетворительное функционирование ТКС на каналах связи низкого и среднего качества и обладает хорошо отработанными аппаратными и программными средствами.

4. Технология на основе ретрансляции кадров "Frame Relay", применяется в настоящее время для передачи данных, обмена речевой и видеоинформацией. Характерной чертой данной технологии является отказ от процедур обнаружения и исправления ошибок в транспортных коммутационных центрах, что обеспечивает лучшее использование пропускной способности каналов и ресурсов коммутационного оборудования, но снижает помехозащищенность образованных виртуальных соединений. Данная технология обладает мощными средствами мультиплексирования и управления разнородными потоками трафика. При применении методов помехозащищенного кодирования в стволах радиорелейных линий может быть использована для построения цифровых сетей с интеграцией служб.

5. MPLS (мультипротокольная коммутация по меткам) — механизм передачи данных, который эмулирует различные свойства сетей с коммутацией каналов поверх сетей с коммутацией пакетов.

MPLS работает на уровне, который можно было бы расположить между вторым (канальным) и третьим (сетевым) уровнями модели OSI, и поэтому его обычно называют протоколом второго с половиной уровня (2.5-уровень). Он был разработан с целью обеспечения универсальной службы передачи данных как для клиентов сетей с коммутацией каналов, так и сетей с коммутацией пакетов. С помощью MPLS можно передавать трафик самой разной природы, такой как IP-пакеты, ATM, кадры Ethernet.

6. Самой перспективной технологией являются мультисервисная сеть связи (Next Generation Network — сети следующего поколения), ядром которой является опорная IP-сеть, поддерживающая полную или частичную интеграцию услуг передачи речи, данных и мультимедиа, которая реализует принцип конвергенции услуг связи. Основное отличие NGN сетей от традиционных сетей в том, что вся информация, циркулирующая в сети, разбита на две составляющие. Это сигнальная информация, обеспечивающая коммутацию абонентов и предоставление услуг, и непосредственно пользо-

вательские данные, содержащие полезную нагрузку, предназначенную абоненту (голос, видео, данные). Пути прохождения сигнальных сообщений и пользовательской нагрузки могут не совпадать. Сети NGN базируются на Интернет - технологиях включающих в себя IP протокол и технологию MPLS.

Разработано несколько походов к построению сетей IP-телефонии: Н.323, SIP и MGCP.

На сегодняшний день, основным устройством для голосовых услуг в сетях NGN является Softswitch — так называется программный коммутатор, который управляет VoIP сессиями. Также немаловажной функцией программного коммутатора является связь сетей следующего поколения NGN с существующими традиционными сетями ТфОП, посредствам сигнально-ro(SG) и медиа-шлюзов(МО), которые могут быть выполнены в одном устройстве.

В настоящее время проблема перехода от традиционных сетей с коммутацией каналов к сетям с коммутацией пакетов (NGN) является одной из наиболее актуальных для операторов связи. Перспективные разработки в области IP-коммуникаций связаны с созданием комплексных решений, позволяющих при развитии сетей следующего поколения сохранять существующие подключения и обеспечить бесперебойную работу в любой сети телефонного доступа: на инфраструктуре медных пар, по оптическим каналам, на беспроводной сети. Согласно концепции «неразрушающего» перехода к NGN, подобные решения должны позволять точечно переводить отдельные сегменты на новые технологии без кардинальной смены всей структуры сети. В частности, решения для «неразрушающего» перехода к NGN должны отвечать следующим требованиям:

• интеграция в существующую сеть оператора, поддержка не только новой транспортной технологии, но и привычной модели управления;

• полностью модульная архитектура с возможностями географического распределения и резервирования;

• возможность гибкого увеличения производительности путем приобретения лицензий и добавления серверов в систему;

• возможность внедрения новых видов услуг в минимальные сроки;

• соответствие требованиям законодательства об архитектуре сети.

Важно отметить, что для взаимодействия различных сетей образуется интегральная система мониторинга и управления с мощной интеллектуальной поддержкой, применение многомодовых терминалов. При этом реализация такого взаимодействия невозможно без использования технологий реализации транспортной сети.

Качественное обслуживание потребителей информационных систем на базе 180-9000, утвержденных ГОСТами РФ, невозможно без четкой реализации общих и прикладных функций управления возможностями и ресурсами ТКС (рис. 1.8).

Вместе с тем, как Следует из рекомендаций Международного союза электросвязи (МСЭ) [8,9], методы и принципы решения задач по оценке эксплуатационной надежности (рис. 1.7) разработаны не в полной мере. Прове-

Рис. Структурная схема КОМ-сети

денный анализ [5,10,11] показал, что новые технологии обладают рядом свойств: автоматическое управление трафиком различных сетях; применение различных методов помехоустойчивого кодирования, приводящих к маскированию отказов аппаратно-программных средств связи (АПСС); использование различных методов автоматического резервирования: внутреннего, временного, функционального, существенно усложняющих решение диагностических задач; единство протоколов, интерфейсов и применение ЭМВОС с

I

одной стороны унифицирует взаимосвязь между различными открытыми сетями, а с другой стороны существенно усложняет оценку показателей надежности их аппаратно-программной реализации, которые могут различаться конструктивными и технологическими реализациями, что приводит к неоднородности АПСС.

Изложенное свидетельствует о необходимости анализа возможности использования известных методов оценки качества функционирования сетей связи для решения задач управления.

Для дальнейшего анализа, необходимо определить понятие информационного сообщения пользователя (ИСП), поступающего из информационной метаструктуры через сеть доступа в транспортную сеть. Для единообразного толкования этого понятия будем под ним понимать основную исследуемую единицу информации пользователя, т. е., по терминологии информационной инфраструктуры, "конечную последовательность данных, формируемую для передачи и имеющую законченное смысловое значение" [1]. В ТКС ИСП передаются в виде коммутируемых информационных единиц (КИЕ), например сообщений, пакетов, датаграмм и т. д., длина которых отличается от длины ИСП. Коротко охарактеризуем основные виды информации, поступающей от пользователей, включая оперативные и диалоговые данные, речь, видеопотоки, фоновую информацию [1-6,12].

Оперативные данные представляют собой цифровые потоки, чувствительные к задержке и шумам. Они могут быть как пользовательскими (або-

нентскими), так и служебными, т. е. порождаться самой системой для целей управления. Их перенос может быть реализован либо системой сигнализации, либо с помощью сетей обмена данными. В [2-6] охарактеризованы другие виды информации и установлено, что в зависимости от режимов коммутации, приоритетов и видов ИСП разные виды запросов, поступающие от пользователей на сетевые ресурсы, в [1] предлагается классифицировать по схеме, показанной на рис. 1.12 в виде трехмерной матрицы, элементы а* которой являются условными (кодированными) обозначениями запросов, т. е. а ^ — код запроса ]-го вида информации к-го приоритета на ьй режим коммутации. Каждый запрос, кроме кода, имеет характеристики (параметры) р0д, Тд, Бд, которые могут быть фиксированы для каждого отдельного запроса, где р0д —максимальная допустимая вероятность искажения символа; Тд — максим