Введение к работе
Актуальность темы. Повышение качества функционирования сетей связи за' счет улучшения надежности используемых технических средств является сложной научно-технической и экономической проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значеній. Заметное отставание отрасли электросвязи России в данной области становится существенным мешающим фактором, который препятствует созданию информационной инфраструктуры, отвечающей потребностям развитого общества, и сдерживает темпы перестройки национальной экономики.
Уникальность охватываемой территории и неясные перспективы внедрения новой техники не позволяют надеяться на быстрое и- кардинальное перевооружение телефонных сетей путем установки цифрового коммутационного и каналообразуюаіего оборудсранил. В то же время, процессы развития рыночной экономики требуют резкого расширения информационного обмена, а переход предприятий связи на действительное самофинансирование заставляет уже сейчас думать об эффективности использования имеющихся техіяпеских средств и увеличении доходов от действующей аппаратуры, что невозможно без повышения качества услуг связи.
Продуманная и целенаправленная стратегия постепенной модернизации существующих сетей немыслима без достоверной оценки реального качества обслуживания вызовов (КОВ) с учетом отказов оборудования. Анализ такой информации позволяет виявить критические участки сети, где повышение надежности аппаратуры является первоочередной задачей и вдоквние средсть ка замену оборудования даст максимальный экономический эффект. В условиях острой нехватки финансовых ресурсов на развитие информационных сетей нашей страны указанные вопросы приобретают еще большую актуальності..
Близкие по содержанию научные и инженерные задачи возникают при создании новой техники связи, когда требуется выбрать состав резервного оборудования, определить рациональное сочетание пппа-ратных и программных средств контроля работоспособности функциональных блоков, оптимизировать параметры системы контроля.
' Таким образом, при системном подходе к проблеме повышения надежности средств связи и качества предоставляемых информационных услуг невозможно обойтись без строгих математических методов анализа КОВ в условиях отказов оборудования. Отсутствие таких методов приводит к принятию неоптимальных решений в процессе разработки, проектирования и эксплуатации телекоммуникационных систем, поскольку возникает резкое несоответствие между ожидаемыми (про-
' ектными) показателями и реальным качествам обслуживания.
Состояние вопроса. Анализу КОВ в системах распределения информации, элементы ксторкх могут ьыходьть из строя,' посвяцано достаточно большое число работ, г. том числе и за рубежом. Однако по мере развития коммутационной тагзхзкв и других средств связи возникла настоятельная нэобходагасть пересмотра некоторых счЗщих концепций. Наряд;- с шфоко распространенными показателяш, основанными на усредасзш потерь вызовов с учетом вероятноств существования различных коыбияацяи отказавших соединительных устройств, ваяно знать вероятностные и временные (динамические) характеристики возможных уровней поинь~ иного качества обслуживания. Такого рода показатели помогут создать более содержательную и объективную картину реального КОВ, предоставляемого абонентам.
В рамках самостоятельного раздела теории телатрафвса, изучз-щего системы распределения информации с ненадежный! элементами, разработано большое число математических моделей и штодов решения задач, относящихся к рассматриваемому научному направлению. Однако набор таких методов пока является недостаточно полным с точки зрения структурных особенностей системы. обслуживания, характера поступающего потока вызовов и даспжшш обслукиваниа, всгречащихся на практике.
В частности, для случая соединительных устройств с необнаруженными отказами, которые наиболее существенно ухудшают КОВ, ис- следовали в основном талнодоступные схемы при простейших предположениях относительно дисциплины обслуживания и поступающей нагрузки. Отсутствие более общих результатов не позволяет достоверно " оценить КОВ в условиях отказов оборудования для современных систем коммутации, где широко используются шшолнодоступные и многозвенные схемы ірупі'ообразования, а также разнообразные варианты обслуживания с ожиданием.
остаются открытыми и многие вопросы комплексной оценки качества обслуживания "о точки зрения абонентов телефонной сети, что требует вичисленая "іквозных" показателей относительно оконечных пунктов сети " учетом повреждений в элементах образованного соединительного тракта. Такая постановка задачи соответствует наиболее общему подходу, принятому в международной практике и сформулированному в последних .рекомендациях ІЯСКГТ (Голубая книга).
Дель работы.- Диссертация посвящена разработке и исследованию новых методов расчета показателей КОВ для структурно-сложных систем распределения информации с ненадежными элементами. Исходя из
этого, основные задачи дальнейших исследований гаклотаются в следующем: 1) обобщение известных моделей структурно-слояшх систем распределения информация, вкивчая системы с сетевой струкгуроЗ, на случай ограниченной надежности сборудолання; 2) разработка методов расчета КОВ в структурно-сложных системах распределения информации, работающих в условиях возникновения отказов оборудования; 3) создание методического и програкдаюго обеспечения для исследования и проектирования систем юяаиутзции и сетей связи с учетом влияния отказов оборудования на КОВ; 4) решение ряда прикладных задач, связанных с определением требований к средствам обеспечения надежности; 5) разработка рекомендаций по обеспечении качества Яувяцдовировавия люрстективвнх систем коммутация с прог-ракмным управлением и сетей связи.
Разработка намеченного кокшлекса теоретических и кетодичес-кзх вопросов коаэт рассматриваться как решение научной пробдекы, иаапвдй важное народнохозяйственное значение.
Методы исследозаипд. Д*я решения поставленных задач использовались аналитические ме?о*г: теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории тел: графіка и теории надежности, а так-S8 штод статистического моделирования. Все расчеты проведены с псзюзья современной вычислительной техники.
Научная новизна работы определяется теоретическим обобщением и развитием существующих методов расчета показателей качества об-олуаивания для широкого класса структурно-сложных систем распределения информации а направления учета влияния ограниченной надежности элементов, входящих в состав исследуемых систем. При этом получены аледуящте нокде регультзтн:
1., На основе научного аваятзі показана целесообразность количественного oimcELL.KJ -сачестьс т.-.-. оставляемых услуг связи в условиях откааов сСэрудоЕ-гчия і<уиу,ял.> .-гапнми характеристиками, которые обеспечивает болзе полную статистическую информации об ухудшениях КОВ при выходе из строя технических средств электросвязи. Разработаны методы вычисления рекокепдуе?ягх характеристик, а так-зэ уерадкших парай їрба, оцвниважкх периодичность и продолгхи-тзлшость неудовлетворительного обслудаэания с учетом нвстаци-сзср'-^'** характера паступгнзоЯ нагр^зщі. Эти результаты является дажг-*гж-; разлагав» прзщгмв фсркзрозашя требования к надев-ч-х'зд а ::«зчеству услуг связи з соотаэтстБки с ccsperssssssi тен-. л';ггт--"*с ja,.?os8EE№i*. в даг*?зр"їах jgtHTT по дагжедг юпросу.
;;. I- .~у,-:ссв шхлгдалягза: *?&:??., сот&тз&я&х. отказазвиэ не-
заблокированные соединительные устройства, найдены точные формула я рекуррентные соотношения для определения: потерь вызовов при обслуживании с неогракичоїгннм ожиданием и при наличии ограничений на процедуру ожидания; первых двух моментов обслуженной и избыточной нагрузки. На основе теоретического анализа и расчетов установлено, что обакушіванио с ожиданием усиливает негативные эффект линий с необнаруженными отказами, а их неіфодолжитвльнне занятия неблагоприятно воздействуют на пикн|актор как избыточной, так и обслуженной нагрузки.
3. Разработана теория количественного анализа вероят госїнш процессов в неоднородных системах массового обслуживания, : к-эдих ЯПД структуру и прибори -с разным средним временем занятая. На этой основе получены приближенные метода оценки влияния отказавших незаОлокирозанкых линий на показатели КОВ в однозвенкых НЦЦ гялтатях для различна: вариантов дисциплины обслуживания. В результате обобщены известные метода расчета НЕЙ схем (метод Наль-ча-Якобеуса, модк&ацированная формула Пальма-Якобеуса и третья Ісумула Эрлаяга). В дополнение к отому, для данного типа схем построена математичоскзя ыодоль и процедура вычисленья вероятнее!- икх характеристик КОВ при достаточно общих предположениях о доведении абонента, что позволяет учесть совместное влияние отказав-uuu. линий и повторных попыток от источников вызовов.
1. Подложен чисд&кпьй іявтод анализа КОВ в. тюлнодостутшом пучке и в коммутационной системе с внутренними олокироЕкаан прз недостоверном оперативном контроле работоспособности соединительных устройств. Учет зависимости средних потерь вызовов от ошибок 1-"с v v го рода позволяет сформулировать обоснованные требования к "-еагкч ?жим средствам, реализующим данный вид контроля.
. Га. основе обобщения аппроксимации Хейвордз разработан простой инженерный подход к расчету потерь вызовов в однозвенных полнодоступных а НЦР. системах без ожидания, содержащих соедини-"елілше устройств с нейбнзрузеннкми отказами и обслуживающих из-піточную нагрузку. При ограниченной очереди аналогичная задача гашена посредством аппроксимации исходного потока вызовов близким
V СВОЙСТВиМ реКУррЭУШЭД ШЇОКОН.
6. Концэпция поксипонентного расчета потерь вызовов в кного-:генной комму тациошсг. системе (КС), работающей в режиме группового искания при ограниченном или неограниченном числе попыток установления соединеькл, распространена на сдучяй, когда некоторые исходящие дкйіій :-:i.'v-::jt необнаруженные отказы. Предлагаемое
ізвитие метода раздельных потерь состоит в том, что вероятность тятости фпссированного числа выходов в направлении искзиия ппхжсшируется более оицим распределением И ВВОДИТСЯ ДОПОЛНИ-ільнзя составляшая суммарных потерь вызовов.
-
Разработаны математические модели для расчетэ потерь ш-вов в состояниях неработоспособности оборудования двухзвопной фровой КС, построенной из модулей простраиствешю-Еременной ммутации. При этом методология эффективной доступности адапти-вана к ситуациям, когда нарушается однородность исследуемой стемы с точки зрения условий для установления соединений между зличными полюсами.
-
Разработан метод оценки качества функционирования сотії їзи по критериям сохранения эффективности. Особенностью предлинного подхода является то, что в задачах выбора средств обеспе-шя устойчивой работы сети при отказах ее элементов совместно ггываются структурно-параметрические признаки первичной и вто-шой сетей, а также "вложение" вторичной сети в первичную.
-
Построена итерационная процедура вычисления показателей і для оконечных пунктов сети связи с обходными направлениями [ наличии повторных вызовов и необнаруженных отказов в соедаки-іьншс линиях. Полученные результаты реализованы на ЭВМ и позво-ІТ расчетным.путем выделить критические участки сети, где повнив надежности дает наибольший положительный эффект.
10. Разработана методика оптимизации схбм можстаиционнсй
зи на цифровой ГТС, позволяющая решать задачи проектирования с
том мер защиты от перегрузок из-за отказов оборудования. Пред
авши подход обеспечивает минимум капитальных затрат на по-
оение сети и соблюдение дополнительных требований MKKTT к до-
гимому ухудшению КОВ.при выходе из строя улем-лп-ов сота.
Основные положеная, выносимые на защиту:
1. В условиях отказов оборудования всесторонняя опенка КОВ
зпечивается кумулятивными характеристиками, связанными с 'зжо-
з распределения следующие случайных в?лпнн: вероятность поте-
аызова, поступающего в произвольный момент времени, наработка
гу последовательными ухудшениями КОВ по отношению к уг.і'плоа-
іому уровню потерь и продолжительность ТРК.'.ГГ, .'"'Л-.ТГЛПКК.
2, При расчете.показателей, характеризующих периодичность и
юлжительность ухудшений. КОВ относительно допустимого уровня
фь,-следует "учитывать нестационарный характер реальных пото-
сорбщеяйй, что достигается суперпозицией двух случайных про-
цеосов, отображагаих колебания интйнсибности поступающей нагрузки
U ИЗМ8НЄВЯЯ ПрОПуСЮЮЙ СПОСОбНОСТИ Е.ССЯ8ДУЄМОЙ СИСТ6МЫ ПОД В03-
действиеи отказов к вссстзковжекй ее составных частей.
-
Аналитическая взаимосвязь, которая существует между ха-рактерястякаг^г 1MB налшдоетздаоа системы без ожидания, содержащей соеданительіл'з устройства с ^обнаруженными отказана, я однотипной по структуро системы, с очередью, позволяет при различны! вариантах ограничение на прсїзяуру ожидания производить расчеты по таблицам обобщенной первой ^ркулн Эрааага.
-
Агшроясамация вероятностей состояний ИЩ пучка, состоящего аз работоспособных и отказаших неза&аохировавных ляяий, обобщением первого распределения Зряанга позволяет получить обойденную формулу Оальма-Якооеуса. которая обеспечивает достаточно высокую точность сценки влияния необваруиашнх отказов ва потери вызовов в равномерных ВДЗ схемах со случайным исканием. По аналогия с модиіиішровавной формулой Ааяьна-Яхооеуса, оря расчетах в области штерь из-за бжшцшяя снята !* следует использовать фиктивное значение интенсивности потока вызовов.
-
В классе д?тлци'^^ин обслуживания с ограниченным ждя неограниченным ожиданием предшлоавние о взаимной уравновеяевности переходов между любої парой соседних состояний одяозвенной ЩЦ свстеш, содержащей отказавшие дазаЗлскированнне соединительные устройства, выполняется с достаточной степенью точности, что позволяет подучить рекуррентные соотношения для приближенной оценки показателей КОВ в равномерных НГЩ включениях при наличии очереди в ланий с необнаруженными отказами.
-
Для учета влияния соединительных устройств с необнзружен- ' вник отказами при расчетах КОВ в случав, когда нагрузка, постуна-жяая на полнодоступный яли ЩЦ пучок, вв является пуассоновской я обслуживается но дисциплине с явними потерями, рекомендуется НС- _ пользовать, соответственно, обобщение первой или третьей формули Эрлавга. При этом, чтобы найти значения аргументов указанных „формул, соответствупщю исходные параметры необходимо разделить ва коэффициент скученности нагрузки..
-
Эквивалентной моделью направляння связи многозвенной КС, сожеркаяего линии с необнаруженными отказаші, является идеальное ШХ включение такого же числа работоспособных я отказавших неза-олояяроааивых ливни с доступность», равной эффективной доступное-тл исследуемо! КС. Веля отказы кежмутацжонного оборудования привадят к иводаородяоети КС с точки зрения ооедиввни» между рвзляч-
ними полюсами, то следует использовать условные коэффициенты блокировки для случая, когда доступность изменяется в зависізюстя от того, к какой нагрузочной группе принадлежит поступивший низов.
8. Предлагаемое развитие итерационного метода расчета КОВ э коммутируемых сетях с обходннмн направленяяйг позволяет учесть совместное влияние соединительных линий (каналов) с необнаруженными отказами, карушятадаи работоспособность образованного соедп-яитального тракта, и повторных вдзовов из-за неудовлетворатальао-го качества передача информации. В совокупностя эта фактора приводят к резкому ухудшении качества аредоставлиенах услуг связи.
Практическая ценность результатов диссертационной работа заключается в том, что ясследованаа перечисленных выше вопросов создает основу для Солее достоверного анализа и прогнозирования качества фуншдаонироваюаі современных систем распределения информация, обладаищх ояохной структурой, для поноса оптимальных пу-. тей модернизация суцествухвщх средств связи а пэвняеняя качества информационных услуг, для принятия более оОоснованных а взаида-увязанннх решений при разработке высокоэффективной и надежной те^ лекошуникациовной техники нового поколения. Для более широкого применения подученных результатов в практической деятельности по разработке, проектированию и эксплуатации информационных систем основные формули, алгоритш и методы реалЕзовавы в виде прогреми, которые с использованием простых вычислительных средств позволяпг дать шоговзриантную количэственнуа оценку аНективностя систем» обеспечения надежности, сравнить способы организации процесссв автоматического обнаружения отказавшего оборудования и Еыбрзть для них наиболее рациональнне технические регения.
Реализация результатов исследований осуществлена по следующим направлениям:
1. Разработанные автором ляссертацви аетода расчетз КОВ системами автоматической юишутацгш. в условиях отказав оборудования внедрены в ІмТСЇС "Кварц", выпускаемой серийно с 1984 г., а также наша практическое применение при создании новых средств цифровой коммутационной техники: городских телефонных станций типа эдТС-Ш, шфовой ступени коммутации электронной справочной едтабй "09я, аппаратуры цифрового уплотнения для абонентских линий. алакїг^'.їоюв АШ"С с распределенным управление!» (проект ЕСС КГ). 'Реауівтатами внедрения, которые получена при выполнениа хоздоговорных НИР с ЦНЙМС (г. Москва) а ЛОНИИО <г. Ленинград), а таквз 2?, ,ra*jrs сотрудничества с СНЯЛ ЦСП в НЭИС, являются теоретически
обоснованные требования к надежности функциональных блоков, реко »;іідацци по построению системы резервирования и средств контрол р^ч,'^способности оборудования, предлокения по организации про ц-эссов технического обслуживания.
-
Основные научные положения диссертации по вычислению ве-роятностк потерь вызовов в структурно-сложных системах коммутащо о учетом неработоспособных состояний оборудования вошли в методические рекомендации "Надежность- квазиэдектронных АМТС. Методі расчета надежности", изданные в ЦБИКС как составная часть комплекса нормативно-технической документации по проблеме надежности АЫТС с прогроммным управлением.
-
Предложенные в диссертации методи и алгоритмы расчета показателей КОВ для сетей связи с обходными направлениями с учетом ограниченной надежности элементов сета внедрены при создании программного обеспечений мультидиалоговой системы моделирования и оптимизации сетей электросвязи, разработанной в-рамках государственной программы "Информатизация России" на ВЦ СО РАН.
-
Методика оптимизации схем межстанционной.связи на-цифровой ГТС с учетом требований МККТТ к устойчивой работе сети в условиях отказов оборудования использована в ИГУСИ при составлении руководящих технических материалов "Принципы оптималь'ного построения городской первичной и вторичной (телефонно») сетей при внедрения цифровых, систем передачи и коммутации", а практические рекомендации по этому вопросу переданы в ЦНИИС для включения в нормативные документы по ОГСТфС. - ' -
-
Комплекс программ для исследования вероятностных характе-рлогж систем распределения информации со сложной структурой при наличии необнаруженных отказов в соединительных устройствах используется в учебном процессе на кафедре АЭС НЭЙС.
Апробация работы. Осноешє результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: 3-м Мевду-народном семинаре "Фундаментальные проблемы теории телетрафика" (Москва, 1984); 2-м Международном семинаре по теории телетрафика и компьютерному моделированию (Москва, 1989); Мевдународной научно-технической конференции "Проблемы функционирования информационных сетей" (Новосибирск, 1991); Международном форуме информатизации (Москва, 1992); Международной школе-сешшаре "Качество функционирования и надежность телекоммуникационных сетей и их элементов" (Новосибирск, 1993); Всесоюзных научно-технических семинарах "Оптимизация технических "систем" (Новосибирск, 1976) и
"Качество функционирования и надежность систем автоматической
коммутации и сетей электросвязи" (Новосибирск, 1988); Всесоюзных научно-технических совещаниях "Дальнейшее развитие и совершенствование коммутационной техники" (Псков, 1977), "Информационные сети и автоматическая коммутация" (Москва, 1981) и "Совершенствование средств автоматической коммутации в ЕАСС" (Таллин, 1982); Всесоюзных научно-технических конференциях "Повышение качества и надежности сетей связи и их элементов" (Новосибирск, 1978), "Надежность и качество функционирования информационных сетей и их элементов" (Новосибирск, 1981, 1985), "Моделирование систем информатики" (Новосибирск, 1988) и "Применение цифровых систем коммутации на сетях электросвязи" (Самара, 1991); школе-семинаре "Принципы построения и функционирования сетей интегрального обслуживания" (Ташкент, 1989); 35-й Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню Радио (Москва, 1990); 6-й Всесоюзной школе-семинаре по-проблемам управления на сетях и узлах связи (Москва, 1991); Российской научно-технической конференции, посвященной Дню Радио (Новосибирск,-1933, 1994); 2-м Региональном семинаре "Распределенная обработка информации" (Новосибирск, 1987); областных научно-технических конференциях Новосибирского НТО РЭС им- А.С. Попова, посвященных Дню Радио (Новосибирск, 1979-1990).
Публикации. Результаты диссертации отражены в монографии "Цифровая сельская связь", где автором написаны 3 раздела, а также опубликованы в периодических научно-технических журналах 'и. сборниках (всего 33 стзтьи). По материалам апробации имеется 38 печатных работ. Основные научные и прикладные результаты диссертационных исследований включены в отчеты по 15 хоздоговорным НИР, которые зарегистрированы во ВНТЩ и- выполнялись при участии автора в качестве ответственного исполнителя. .
. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной, материал работы изложен на 302 страницах машинопирного текста, а также включает в себя 77 страниц иллюстраций и таблиц. Библиография содержит 166 наименований. В приложении приведены документы о внедрении и использовании результатов исследований.
