Разработка моделей и методов расчета вероятностно-временных характеристик потока неистправностей в распределенной интегральной системе связи Воронков Дмитрий Александрович

Содержание к диссертации

1. Анализ принципов организации и функционирования систем технической эксплуатации на
сетях электросвязи 13

1. Концепция технической эксплуатации волоконно-оптических систем передачи 13

2. Особенности построения систем технической эксплуатации АТС с программным управлением 22

3. Средства и методы технической эксплуатации в системах SDH 32

ВЫВОДЫ 45

2. Формализованное описание основных показателей системы технической эксплуатации 47

2.1. Состав и нормирование показателей надежности для сетей электросвязи 47

2.2 Классификация основных показателей эффективности функционирования систем

электросвязи 52

2.3. Структурно-функциональное представление систем связи с распределенным управлением...62
ВЫВОДЫ 71

3. Разработка модели и исследование вероятностно-временных характеристик распределенной
системы связи 73

4. Математическая модель этапа обслуживания вызова 73

5. Модель и метод многофазового обслуживания с ненадежными блоками с местами для ожидания 81

6. Модель и метод многофазового обслуживания с ненадежными блоками и без мест для

ожидания 94

ВЫВОДЫ : 101

4. Имитационное моделирование процесса обслуживания вызовов в распределенной
интегральной системе связи 102

7. Обоснование необходимости имитационного моделирования 102

8. Экспериментальная оценка времени пребывания вызовов в распределенной системе связи на этапах его обслуживания 103

9. Анализ результатов моделирования 109

ВЫВОДЫ: ПО

5. Методика расчета ВВХ процесса обслуживания вызовов для распределенной системы связи с

потоком неисправностей 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120

ЛИТЕРАТУРА 121

ПРИЛОЖЕНИЕ 127

Сокращения и основные термины, принятые в работе

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Главное направление развития коммутационной техники связано с всевозрастающими объемами и скоростями коммутации, хранения и передачи разных типов данных по каналам связи. В настоящее время операторы существующих и проектируемых сетей связи делают опору на цифровые средства коммутации и доставки информации. Средства коммутации - это автоматические телефонные станции (АТС) с программным управлением. Средства доставки информации, как правило, представляют собой совокупность волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и различных видов/типов мультиплексоров. Расчет качественных характеристик на этапе проектирования цифровых систем коммутации осуществляется с использованием рекомендаций по качественным показателям представленными в Q.543. Качественные показатели систем передачи данных определяются, исходя из допусков на потери бит, потери синхронизации и т.д., без учета возможного влияния элементов систем передачи на качество обслуживания вызовов при установлении межстанционных соединений.

Использование модульной структуры требует оценки влияния системы технической эксплуатации (СТЭ) каждого модуля на качество обслуживания вызовов. Влияние СТЭ на качественные показатели можно определить, как контроль за состоянием модуля в свободном и рабочем режимах. При этом процедуры контроля за состоянием модуля занимает определенные вычислительные ресурсы модуля и может привести к увеличению суммарного времени пребывания т_г; заявки на обслуживании в модуле.

т = т^обр + т^ус + т^ои + т^ж +i^m

где 7^ф,г^^с,г,г^,х, соответственно, время обработки заявки, установления

(разрушения) соединения в коммутационном поле, обмена информацией между ОП, оперативного контроля соединения и определение текущего транзитивного состояния из возможного множества, т.е. проверка работоспособности модуля.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью исследования данной работы является разработка модели и метода расчета ВВХ этапа обслуживания вызова для многомодульных систем коммутации с распределенной структурой и однотипными элементами системы (модулями) и учетом функционирования системы технического обслуживания.

СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Проблеме нахождения ВВХ

ЭОВ систем коммутации с распределенным управлением посвящены ряд работ, а также

существуют модели и методики расчетов качественных показателей данных систем.

Качественные показатели распределенных систем коммутации должны соответствовать

критериям, определенным в рекомендации Q.543. Данная рекомендация определяет

методику расчета и значения параметров, изменение которых, критически сказывается на качественных показателях рассматриваемой системы коммутации. В то же время предложенные модели, не учитывают возможность появления неисправностей и их возможное влияние на качественные показатели системы. Для контроля за состоянием коммутационных элементов используется система технической эксплуатации и подсистема -технического обслуживания. Задачу системы технического обслуживания можно определить, как совокупность технических и административных операций, направленных на поддержание системы связи в состоянии, в котором она может выполнять требуемые функции с заданным качеством, или на восстановление этого состояния. Совокупность, подверженных изменению в процессе эксплуатации свойств блоков, характеризуется количественными и качественными значениями его характеристик, т.е. техническим состоянием модуля. Каждый модуль системы связи в некоторый момент времени может находиться в определенном состоянии (из счетного множества). Процесс определения вида технического состояния каждого модуля - контроль технического состояния, предопределяет выявления по диагностическим признакам (симптомам) изменение технического состояния модуля.

Вопросам определения качественных характеристик распределенных систем коммутации посвящены работы В.И. Данилова, Ф. Ген-линь, Н.С. Чагаева [56] и ряда других авторов.

Вопросам контроля технического состояния посвящены работы Л.Д. Сметанина [87], Н.Б. Суторихина [80], P.P. Вегенера [80], А.А. Костина [70-75], Р.А. Авакова [31] и других.

Однако, в существующих работах не учитывалось влияния неисправностей на качественные показатели системы связи. Проблема сохранения эффективности функционирования системы связи в пределах допусков требует вскрытия основных зависимостей, присущих элементам систем связи, снижающих качество обслуживания абонентов, а также оценки влияния потока неисправностей. В связи с этим, в работе поставлены и решены следующие задачи:

проведен анализ существующих методов проведения мероприятий по техническому обслуживанию для систем и режимов функционирования сети электросвязи;

разработана аналитическая модель, модуля системы связи, учитывающего влияния параметра потока отказов;

разработан метод расчета влияния неисправностей на эффективность функционирования элемента системы связи;

разработан метод расчета вероятностно-временных характеристик ЭОВ с различными способами обеспечения надежности модуля;

разработка программного обеспечения для инженерного расчета и определения
допустимых значений параметров потоков вызовов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в постановке задачи и новизне предмета исследования. При этом новыми научными результатами являются:

модель переходных состояний модуля, как элемента системы, основанная на его представлении в виде орграфа при определении взаимосвязи составляющих и разделения на определенные функциональные типы;

метод расчета параметров потока вызовов на единичный элемент системы связи с учетом неисправностей;

оценка вероятностно-временных характеристик пребывания заявки в сети при реализации элементом системы связи определенной функциональной задачи и сравнение их с нормами, установленными рекомендациями МСЭ-Т Q.543.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработанная методика расчета ВВХ, позволяет оценить качественные характеристики, как единичных элементов системы связи, так и всей сети в целом, которые могут быть использованы при реальном проектировании сетей электросвязи.

Разработана модель элемента системы связи, позволяющая рассчитать параметры функционирования при обслуживании вызовов в выполнении которых, участвуют несколько функциональных модулей. Модель дает возможность производить оценку вероятностно-временных характеристик обслуживания вызовов сетью, при установлении соединения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Методика определения вероятности нахождения элемента сети связи в одном из счетного количества состояний.

2. Модели многофазового обслуживания с ненадежными приборами с местами для ожидания и без таковых.

3. Методика определения влияния неисправностей на фазе обслуживания вызова на систему управления элемента, участвующего в обслуживании вызова.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на международных конференциях, семинарах по телетрафику (Санкт-Петербург, 1995-1998), конференциях профессорско-преподовательского состава Государственного Университета им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (1995-1997).

Основные результаты диссертации опубликованы в материалах научно-технических конференций и научных семинаров, всего — 6 работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Реферируемая диссертационная работа состоит из списка сокращений используемых в работе, введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, определена практическая ценность и вероятная область применения результатов, приведены сведения об апробации работы и представлены основные положения выносимые на защиту.

В первом разделе рассматриваются основные типы оборудования, составляющие современную сеть электросвязи, принципы организации диагностирования, контроля и администрирования на соответствующих уровнях и звеньях сети.

Сеть электросвязи представляет собой совокупность средств доставки и коммутации информации, а также базовых способов и служб представления, хранения и передачи требуемых данных.

Основные части сети электросвязи:

4. волоконно-оптические (цифровые) системы передачи;

5. цифровые системы коммутации (ЦАТС), работающие по записанной программе;

6. технология организации синхронных цифровых сетей SDH, как транспорта информации;

Общие принципы ТЭ ВОСП. Система технической эксплуатации (СТЭ) первичных сетей ВСС РФ представляет собой совокупность методов и алгоритмов технического обслуживания (ТО), технического персонала, технических, программно-технических средств, средств контроля и измерений, которые обеспечивают организацию и поддержание в требуемых пределах, установленных норм любого объекта технической эксплуатации (ОТЭ), являющегося составной частью соединения в трактах и каналах передачи.

Наиболее часто встречаются следующие методы технического обслуживания ОТЭ для объектов ВОСП [33]:

профилактическое ТО;

корректирующее ТО;

управляемое техническое обслуживание;

В соответствии с рекомендацией МСЭ-Т М.20, объект технической эксплуатации предназначен для выполнения определенных функций между интерфейсами передачи. Рабочая характеристика, контролируемая встроенным устройством обнаружения отказов, сообщается по стыку технической эксплуатации либо автоматически после возникновения отказа, либо по запросу информации техническим персоналом.

Кроме того, другие функции эксплуатации и управления могут выполняться с помощью стыка технической эксплуатации, в соответствии с принципами СУЭ, изложенными в рекомендации МСЭ-Т М.ЗОЮ [13].

Принципы ТЭ АТС Средства контроля технического состояния ЦСК можно, условно, разделить на две части:

аппаратурные средства контроля, составляющие 5 - 20% основного оборудования;

программные средства контроля, составляющие 50 - 60% объема прикладного программного обеспечения [31].

Объекты контроля СТО - это, как ЦСК в целом, так и ее составные части, которые могут быть рассмотрены независимо от других. Разделение оборудования ЦСК на отдельные составные части определяется конструктивно-технологическими и функциональными требованиями, а также удовлетворяет, в наибольшей степени, требованиям надежности, технического обслуживания, ремонта и аварийной сигнализации.

Не менее важное значение для продолжительной эксплуатации ЦСК имеет выбор метода технического обслуживания (ТО), как для коммутационного оборудования, так и для всей номенклатуры, используемого станционного оборудования. В настоящее время существует три основных метода ТО:

7. Профилактический;

8. Восстановительный;

9. Контрольно-корректирующий метод (ККМ);

Принципы ТЭ сетей SDH Обслуживание сети сводится в общем случае к автоматическому, полуавтоматическому или ручному управлению системой, ее тестированию и сбору статистики о прохождении сигнала и возникающих неординарных или аварийных ситуациях, а также административному управлению сетью. Для достижения этих целей разработана концепция технического и эксплуатационного обслуживания систем связи, базирующаяся на построении сети для управления сетями связи, службами и услугами (Telecommunication Management Network (TMN) или Сеть Управления Электросвязью (СЭУ)).

TMN - это выделенная сеть, соединенная с сетью связи для обработки данных, контроля и управления сетью связи. Сеть связи - это все элементы и системы аналоговых и цифровых сетей. TMN обеспечивает сбор данных о контролируемых элементах и их передачу к управляющей системе, которая также входит в состав сети и которая передает результаты обработки к эксплуатационным службам. Последние, в свою очередь, принимают меры по повышению эффективности использования действующих ресурсов.

Во втором разделе рассматриваются принципы нормирования показателей надежности, эффективности функционирования и качества обслуживания вызовов применительно к распределенным системам связи.

Надежность в [54] определяется, как свойство сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надежность первичной сети - свойство первичной сети сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, характеризующих их способность к передаче сигналов электросвязи в заданных режимах и условиях применения и технического обслуживания.

В общем случае, под эффективностью функционирования понимается некоторая количественная характеристика качества и объема выполняемой системой работы некоторой технической системой. Известный пример того, что эффективность функционирования системы массового обслуживания характеризуется средним числом обслуженных требований/вызовов (в случае отказов системы и потерь из-за нехватки мест ожидания), средним временем ожидания до окончания обслуживания и т.п. Эффективность функционирования для телекоммуникационных систем (ЦСК, Кросс-коммутаторы, Мультиплексоры, системы ВОСП и т.д.) и может характеризоваться объемом и достоверностью переданной информации.

Выбор соответствующего показателя эффективности функционирования в каждом конкретном случае определяется типом системы, ее назначением, видом выполняемой задачи, характером различных внешних условий и другими факторами.

Качество обслуживания. Исходя из обозначенной идеологии определения качества обслуживания абонента на сети связи, как симбиоз качественных показателей ЦСК с распределенным управлением и транспортной среды доставки информации. При этом делается допущение, что рассматривается однородная, с точки зрения системы технического обслуживания, сеть связи.

Третий раздел посвящен математическому описанию этапа обслуживания вызовов в системе с распределенным управлением и учетом параметра потока неисправностей.

Представленная модель, является системой массового обслуживания (СМО), состоящей из N обслуживающих приборов (ОП), разделенных на п групп. В /7-ю группу входит ти ОП (h=1, п), причем любой ОП этой группы может заниматься от одного до к_гі раз при выполнении 1-го ЭОВ но, что при этом СУ расходует значительное непроизводительное время. Каждый г-й ОП (r = \,N) представляется в виде однолинейной СМО типа (M/D/1):

(ДО/t со/ со), характеризуемой несколькими входящими простейшими потоками заявок М,

постоянным временем занятия D (т.к. время, затрачиваемое СУ на обслуживание каждой заявки - постоянно), дисциплиной обслуживания (ДО) - характеризуется отсутствием приоритетов при обслуживании поступающих заявок, допустимым временем пребывания заявок на ЭОВ t, неограниченным числом мест для ожидания (оо) и источников заявок (со).

Отсутствие мест для ожидания приводит к изменению исходных условий к варианту, когда каждый /-й блок представляется в виде однолинейной СМО типа:

(M/D/Y): (ДО//О/со). Обслуживающий вызовы модуль может отказать в промежутки времени, свободные от обслуживания. Промежутки времени между моментами занятиями модуля (т.е. срок службы в свободном состоянии) - независимые, одинаково распределенные величины с функцией распределения Р(х). При отказе модуль начинает немедленно восстанавливаться. Время восстановления не зависит ни от номера отказа, ни от самого потока отказов и имеет экспоненциальное распределение R(x).

В четвертом разделе проводится имитационное моделирование процесса обслуживания вызовов. Моделированию подвергался этап обслуживания вызова при различном числе фаз обслуживания, участвующих в реализации этапа обслуживания.

В пятом разделе представлен алгоритм расчета ВВХ для инженерных расчетов на этапе проектирования распределенной системы связи.

Предложенная методика, предназначена для разработчиков и проектировщиков систем связи и систем коммутации и позволяет разработать рациональную структурно-функциональную организацию системы и произвести распределение функциональных задач процесса обслуживания вызовов между элементами системы коммутации и передачи.

1. Анализ принципов организации и функционирования систем технической эксплуатации на сетях электросвязи.