Содержание к диссертации
Введение
1. Повышение надежности ТКА в условиях производства и эксплуатации 11
1.1 Общие положения 11
1.2 Методы оценки соответствия телекоммуникационной аппаратуры требованиям по надежности 23
1.3 Виды контроля технического состояния телекоммуникационной аппаратуры 31
1.4 Основные результаты, представленные в первой главе (включая приложения 1,2,3): 34
2. Разработка моделей для определения показателей надежности в условиях комбинированного контроля 35
2.1 Достоверный комбинированный контроль 35
2.2 Недостоверный комбинированный контроль 45
2.3 Рекомендации по сбору и обработке данных об ошибках контроля и отказах ТКА 58
2.4 Основные результаты, представленные во второй главе: 65
3. Дистанционный контроль показателей надежности 66
3.1 Влияние ошибок в канале на вероятность ошибок контроля I и II рода 66
3.2 Характеристики канала передачи данных 71
3.2.1 Помехи и искажения в каналах связи. 71
3.2.2 Модели источников ошибок 73
3.3 Методы повышения верности в системах передачи данных 77
3.4 Основные результаты, полученные в третьей главе 81
4. Моделирование вероятностно-временных характеристик системы с РОС-АП с учетом отличного от нуля значения вероятности необнаруженной ошибки 82
4.1 Основные сведения о системе 82
4.1.1. Описание системы 82
4.1.2 Описание протокола 84
4.2 Разработка математической модели для оценки параметров протокола с РОС-АП 86
4.2.1 Определение матрицы переходных вероятностей и вектора начальных состояний системы с учетом вероятности необнаружения ошибки 88
4.2.2 Определение вероятности успешной доставки, затрат на доставку и приведенной скорости передачи информации с учетом вероятности необнаружения ошибки 101
4.3 Вероятностно-временные характеристики системы при передаче сообщений заданного объема 105
4.5. Основные результаты, полученные в четвертой главе 110
Заключение 112
Литература 114
- Виды контроля технического состояния телекоммуникационной аппаратуры
- Рекомендации по сбору и обработке данных об ошибках контроля и отказах ТКА
- Методы повышения верности в системах передачи данных
- Определение матрицы переходных вероятностей и вектора начальных состояний системы с учетом вероятности необнаружения ошибки
Введение к работе
В последнее время все больше клиентов операторов связи ощущают растущую зависимость эффективности функционирования их бизнес-процессов от качества используемых в повседневной деятельности услуг связи. Это приводит с их стороны к необходимости предъявлять повышенные требования к качеству предоставляемых им услуг, заключая с оператором связи соглашение о качестве обслуживания (SLA).
Обеспечить требования SLA можно только в том случае, когда обеспечены соответствующие характеристики телекоммуникационной сети, зависящие, в том числе, от показателей ее надежности. Надежность - это собирательный термин, используемый для описания свойства готовности и влияющих на него свойств безотказности, ремонтопригодности, обеспечения технического обслуживания и ремонта.
Контроль параметров, характеризующих надежность
телекоммуникационной аппаратуры, должен осуществляться на всех этапах жизненного цикла - от изготовления до эксплуатации, включая обеспечение показателей надежности в условиях хранения изделия.
Испытания на надежность сопряжены с огромными затратами и они тем выше, чем более высокие требования предъявляются к показателям надежности. При испытаниях на надежность различают ошибки контроля первого рода, когда исправное изделие признается неисправным и бракуется (ложная тревога). Ошибка контроля второго рода соответствует ситуации, когда неисправное изделие не обнаруживается системой контроля. Если большие значения вероятности «ложной тревоги» приводят к неоправданным затратам со стороны поставщика изделия, то большие значения пропуска бракованного изделия существенно сказываются на операторе, предоставляющем телекоммуникационные услуги. Не следует также забывать и о проблемах контроля надежности в условиях эксплуатации, когда требуется оперативно выявить неисправные блоки или типовой элемент замены (ТЭЗ) и оперативно его заменить. Здесь необнаружение неисправности может привести к простоям, которые чреваты как недополучением прибыли, так и потерей клиентов, а в современных условиях, и большими штрафными санкциями, вызванными нарушением SLA со стороны оператора.
Таким образом, вопросы повышения надежности и контроля параметров, характеризующих надежность, требуют непрестанного внимания, как со стороны поставщика телекоммуникационной аппаратуры, так и со стороны оператора и сопряжены с серьезными финансовыми затратами.
Следует заметить, что в ряде случаев контроль параметров характеризующих надежность в силу разных причин приходится осуществлять дистанционно, что в свою очередь, в условиях «ненадежного» канала, влияет на вероятность ошибки, как первого, так и второго рода.
Вопросом обеспечения надежности и разработки методик вычисления параметров, характеризующих надежность с учетом ошибок 1-го и П-го рода, посвящено множество работ, включая монографии и статьи. Это, прежде всего, работы таких авторов, как Зеленцов Б.П., Шерстнева О.Г., S Tastane, D Kapitano и др.
Диссертационная работа состоит из четырех глав, в которых рассмотрен комплекс вопросов, направленных на решение задач по контролю за показателями надежности. В ней использован многолетний опыт работы диссертанта по приемке и испытаниям аппаратуры, к которой предъявляются повышенные требования по надежности.
Перейдем к краткой характеристике материалов, изложенных в главах.
В первой главе рассмотрены проблемы, связанные с обеспечением качества услуг. Показана роль показателей надежности в системе качества предоставляемых оператором услуг. Выделен такой показатель качества функционирования сети как готовность, который определяется безотказностью, ремонтопригодностью и оргтехническим обеспечением обслуживания и ремонта. В главе приводятся методики и результаты расчетов и испытаний РЭА на надежность, выполненные под руководством и участии диссертанта. На основании результатов испытаний, сведенных в ряд таблиц сделаны выводы, послужившие основой для модернизации методик испытаний. Предложено использование "стресс скрининга" и разработаны методики определения оптимальных режимов "стресс скрининга". В частности: выбора уровней нагружения случайной широкополосной вибрацией, уровней нагружения при термоциклировании и электроиспытаниях. Дана технико-экономическая оценка "стресс скрининга". В главе также рассмотрены виды контроля технического состояния телекоммуникационной аппаратуры. Поставлены задачи разработки моделей, позволяющих получить расчетные соотношения для определения показателей надежности с учетом ошибок контроля 1-го и П-го рода, отличающихся от известных учетом ряда существенных факторов. Рассмотрены подходы к вопросам дистанционного контроля, который может осуществляться на различных стадиях жизненного цикла ТКА.
Вторая глава посвящена разработке моделей и исследованию показателей надежности ТКА в условиях эксплуатации.
Для рассмотрения множества состояний, которые может принимать ТКА в процессе эксплуатации, разработана модель для достоверного комбинированного контроля. При этом под комбинированным контролем понимается использование непрерывного и периодического контроля. При составлении модели сделаны следующие допущения:
-ТКА находится в непрерывном использовании по назначению;
-отказы, обнаруживаемые непрерывным и периодическим контролем, совместны;
-все события происходят в случайные моменты времени;
-время между событиями имеет экспоненциальный закон распределения.
Найдены выражения для следующих обобщенных характеристик надежности: среднего времени нахождения ТКА в работоспособном состоянии; среднего времени нахождения ТКА в неработоспособном и заблокированном состоянии; среднего времени нахождения ТКА в неработоспособном и незаблокированном состоянии; среднего числа проверок, приходящегося на одно восстановление; условного коэффициента отказов.
В главе 2 также разработана модель для оценки характеристик надежности в условиях недостоверного комбинированного контроля. Недостоверность комбинированного контроля определяется наличием ошибок 1-го и П-го рода систем периодического и непрерывного контроля.
В отличие от известных моделей недостоверного контроля предлагаемая модель учитывает наряду с ошибками периодического контроля 1-го и Н-го рода также ошибки непрерывного контроля 1-го рода и вызванные этой ошибкой новые состояния ТКА.
В заключение главы представлены рекомендации по сбору и обработке данных об ошибках контроля и отказах ТКА.
В главе 3 представлены соображения по выбору модели источников ошибок и подходы к выбору протоколов обмена данными в условиях дистанционного контроля показателей ТКА. Выведены формулы для расчета ошибок контроля 1-го и И-го рода с учетом недостоверной передачи данных о параметрах ТКА в пункт контроля при централизованном обслуживании. Обоснована целесообразность использования для дистанционного контроля системы передачи данных с РОС-АП.
В главе 4 представлена методика расчета характеристик протокола РОС-АП, отличающаяся от известных тем, что учитывается возможность необнаружения ошибок при декодировании. При определенных условиях (плохое качество канала, незначительное число проверочных элементов в кодовой комбинации) неучет ошибок декодирования может существенно повлиять на значения вероятностей ошибок 1-го и И-го рода и другие показатели надежности ТКА.
Цель работы. Разработка методик расчета показателей надежности в процессе производства и эксплуатации телекоммуникационной аппаратуры (ТКА).
Методы исследования. В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью аппарата теории вероятностей, марковских процессов и математического моделирования.
Научная новизна:
1. Разработана методика "стресс-скрининга", включающая в себя испытания на термоциклирование, случайную широкополосную вибрацию, электроиспытания при повышенной температуре, которая обеспечивает выявление скрытых дефектов при производстве изделий.
2. Разработана модель отказов и восстановлений ТКА, позволяющая уточнить значения показателей надежности ТКА в условиях достоверного комбинированного контроля. Модель учитывает время нахождения ТКА в неработоспособном состоянии в связи с отказом, обнаруживаемым непрерывным контролем, а также тот факт, что после отказа, обнаруживаемого только периодическим контролем, может произойти, как следствие, отказ, обнаруживаемый только непрерывным контролем.
3. Разработана модель отказов и восстановлений ТКА, охваченной недостоверным комбинированным контролем, отличающаяся от известных тем, что наряду с ошибками периодического контроля 1-го и П-го рода модель учитывает ошибки непрерывного контроля 1-го рода.
4. Разработана методика расчета вероятности ошибок контроля 1-го и 11-го рода, позволяющая учесть влияние необнаруженных ошибок при дистанционном контроле. 5. Разработана методика расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) системы РОС-АП, позволяющая учесть при передаче информации по дискретному каналу, описываемому моделью Гилберта, вероятность появления необнаруженных ошибок.
Практическая ценность работы и внедрение ее результатов.
Разработаны методики, обеспечивающие повышение надежности ТКА как в условиях производства, так и эксплуатации ТКА. Результаты исследований используются НИИЭГТ как на этапе проектирования изделий, так и их испытаний.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались диссертантом.
1. В управлениях ГРАУ, ВВС (г.Москва, 1995, 1996, 1999 гг.) и НИИ надежности в/ч 64641 (г.Москва, 1992, 1993, 1999 гг.).
2. На конференциях:
а) Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций». - Томск, 2003
б) Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций». - Новосибирск, 2004.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ. В их числе три статьи в сборниках Сибирского научного вестника (выпуски II -1998 г., III - 1999 г. и IV - 2000 г.), глава в учебном пособии (2004 г.), тезисы докладов (2003 и 2004 гг.), материалы диссертации также представлены в отчетах по НИР [7, 8,9].
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, четырех приложений и заключения. Содержит 146 страниц, 6 таблиц, 23 рисунка. Список литературы состоит из 60 наименований. Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Обоснование необходимости использования для повышения надежности метода «стресс скрининга».
2. Методика выбора уровня воздействующих факторов при термоциклировании, случайной широкополосной вибрации, электроиспытаниях при повышенной температуре.
3. Формулы для расчета показателей надежности ТКА в условиях достоверного комбинированного контроля, отличающиеся от известных учетом времени нахождения ТКА в неработоспособном состоянии с отказом, обнаруживаемым непрерывным контролем.
4. Формулы для расчета показателей надежности при недостоверном комбинированном контроле ТКА, отличающиеся от известных тем, что наряду с ошибками периодического контроля 1-го и И-го рода, учитываются ошибки непрерывного контроля 1-го рода.
5. Методика расчета ВВХ системы дистанционного контроля надежности РОС-АП, учитывающая вероятность появления необнаруженных ошибок, при передаче сообщений по каналу с группирующимися ошибками, описываемыми моделью Гилберта.
Виды контроля технического состояния телекоммуникационной аппаратуры
Надежность и качество функционирования телекоммуникационной аппаратуры существенно зависит от системы контроля технического состояния ее элементов. Главной функцией системы контроля является обнаружение отказов телекоммуникационной аппаратуры.
Задачей системы контроля технического состояния является выполнение двух основных этапов: 1. Получение информации о фактическом состоянии объекта технического контроля, о признаках и показателях его свойств. 2. Сопоставление этой полученной информации с заранее установленными требованиями. Например, на стадии эксплуатации объекта, в данном случае телекоммуникационной аппаратуры, технический контроль заключается в проверке соблюдения требований эксплуатационной и ремонтной документации. Виды технического контроля классифицируются по определенному признаку. Таким признаком может служить: полнота контроля и влияние системы контроля на объект. По влиянию на объект различают разрушающий и неразрушающий виды контроля. Известно, что устройства контроля, предназначенные для сложных систем, зачастую сами представляют собой сложные системы, требующие обоснования их надежности. Ухудшение надежности и качества функционирования системы контроля технического может привести к резкому ухудшению качества функционирования телекоммуникационной аппаратуры. Поэтому проблема надежности системы контроля привлекает к себе внимание разработчиков телекоммуникационной аппаратуры. При выполнении функции обнаружения отказов и поиска отказавших элементов телекоммуникационной аппаратуры средствами технического контроля могут быть допущены ошибки. Это может быть связано с недостаточной глубиной контроля, сбоем в работе системы контроля, нарушением работоспособности системы контроля, Известны ошибки контроля двух типов: - ошибка контроля I рода, когда работоспособный элемент (функциональный блок) телекоммуникационной аппаратуры признается как неработоспособный (ложный отказ). При испытании телекоммуникационной аппаратуры в условиях производства эта ошибка системы контроля названа риском поставщика (а); - ошибка контроля II рода, когда неработоспособный элемент (функциональный блок) телекоммуникационной аппаратуры признается как работоспособный (необнаруженный отказ). При испытании телекоммуникационной аппаратуры в условиях производства эта ошибка системы контроля названа риском заказчика ф). Рассмотрим случаи, приводящие к ошибкам контроля при двух видах системы контроля: непрерывном и периодическом. При непрерывном контроле отказ элемента телекоммуникационной аппаратуры (в дальнейшем также будет использоваться термин радиоэлектронная аппаратура, РЭА) обнаруживается одновременно с его возникновением, т.е. при непрерывном контроле проверка работоспособности совмещена с функционированием РЭА. После обнаружения и локализации отказа РЭА отправляется на восстановление. При периодическом контроле отказ обнаруживается во время проведения периодической проверки. Период проверки устанавливается согласно существующим нормам проверки технического состояния объекта (РЭА) в целом. Считаем, что контролируемая РЭА в момент проверки может находиться в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. 1. Периодический контроль. 1.1. Контролируемая РЭА работоспособна, но система контроля ложно обнаруживает отказ. В этом случае имеет место ошибка контроля I рода (риск поставщика). Может быть несколько причин такой ситуации. Назовем некоторые из них: а) отказ оборудования системы периодического контроля; б) несовершенные методы контроля; в) сбой в работе РЭА при ее проверке. 1.2. Контролируемая РЭА неработоспособна, т.е. имеет место отказавший элемент РЭА. В этом случае имеет место ошибка контроля II рода (риском заказчика), если при проверке неработоспособное состояние не было обнаружено. Причины такой ситуации могут быть следующие; а) ограниченная полнота контроля, т.е. не все отказы выявляются проверяющим тестом. Это возможно из-за ограниченного времени одной проверки; б) отказ оборудования системы контроля или той его части, которая включена в контур контроля во время проверки. 2. Непрерывный контроль. 2.1. Контролируемая РЭА работоспособна. Система непрерывного контроля ложно обнаруживает отказ. Причины ложного обнаружения отказа могут быть следующие: а) сбой в работе контролируемой РЭА. Это может быть вызвано как внутренними причинами (старение элементов, нестабильность источников питания и т.д.), так и внешними помехами. Например, сбоем в работе системы контроля. 2.2. Контролируемая РЭА неработоспособна, т.е. имеется отказавший элемент. Система непрерывного контроля отказ не обнаруживает. Такая ситуация может быть вызвана тем, что не обеспечивается достаточная глубина контроля. Если ошибки системы непрерывного и периодического вызваны отказом оборудования самой системы контроля, то контролируемая РЭА может находиться в неработоспособном состоянии неопределенное время. Ошибки контроля I и II рода различно влияют на надежность контролируемой РЭА. В связи с этим отметим некоторые особенности: - ошибки непрерывного и периодического контроля I рода характеризуются интенсивностью и условной вероятностью того, что РЭА попадает на восстановление в работоспособном состоянии; - ошибки непрерывного и периодического контроля II рода характеризуются условной вероятностью того, что РЭА, находясь в неработоспособном состоянии, не будет исключена из эксплуатации.
На практике также известны случаи, когда при проведении периодического контроля технического состояния обслуживающим персоналом работоспособность РЭА была нарушена. Возникший при этом отказ может быть выявлен только при очередных периодических проверках. Такая ситуация названа ошибкой периодического контроля III рода.
Ошибки восстановления (неполнота восстановления) характеризуется вероятностью того, что после окончания восстановления РЭА остается в неработоспособном состоянии и включается в режим эксплуатации. Таким образом, недостаточность системы контроля технического состояния снижает надежность и затрудняет процесс эксплуатации телекоммуникационных систем в целом. Поэтому влияние ошибок контроля на надежность необходимо учитывать при разработке и эксплуатации телекоммуникационных систем.
Рекомендации по сбору и обработке данных об ошибках контроля и отказах ТКА
Способы организации контроля технического состояния РЭА можно разделить на следующие виды: - непрерывный контроль, при котором оборудование проверяется непрерывно; - периодический контроль при котором оборудование проверяется через постоянные или через случайные промежутки времени; - комбинированный контроль, при котором оборудование проверяется I непрерывным и периодическим контролем. Для характеристики работы системы контроля используются следующие показатели: - среднее время проверки РЭА; - среднее или постоянное время между периодическими проверками; - интенсивность ошибок периодического контроля I рода; - условная вероятность ошибки периодического контроля I рода, при условии, что контролируемая РЭА работоспособна; - условная вероятность ошибки периодического контроля II рода, при условии, что контролируемая РЭА неработоспособна. Для оценки надежности РЭА и качества ее работы используются следующие показатели: - коэффициент простоя; - наработка на отказ; - средняя продолжительность состояния РЭА с необнаруженным отказом; - среднее время восстановления; - среднее время простоя; - вероятность состояния с необнаруженным отказом РЭА в 1 произвольный момент времени. Наиболее важными параметрами для оценки надежности РЭА являются интенсивность отказов РЭА со и интенсивность восстановления ц. Система контроля характеризуется ошибками контроля, временем между проверками технического состояния и длительностью проверки. Для определения этих параметров, согласно разработанным в разделах 2,1 и 2.2 моделям надежности необходимо фиксировать следующие события: - общее количество периодических проверок (испытаний); - количество периодических проверок (испытаний) в результате которых была выведена из эксплуатации работоспособная РЭА; - количество отказавших элементов РЭА, которое было «пропущено» непрерывным контролем и зафиксировано периодическим; - число случаев, при которых работоспособная РЭА была выведена из эксплуатации в результате периодической проверки (испытания); - число отказов РЭА, выявленных непрерывным контролем; - количество отремонтированной РЭА; - суммарное время ремонта; - число случаев, при которых РЭА после ремонта оказывалась неработоспособной; - число случаев повторного испытания, при котором обнаружены сбои в работе РЭА; - время эксплуатации РЭА, за которое накоплена статистика отказов. Таким образом, для обеспечения надежности РЭА не ниже заданного уровня большое значение имеет четкая, быстродействующая система сбора анализа, обработки и распределения информации о надежности изделий на этапах разработки, опытного и серийного производства, а также в процессе эксплуатации РЭА. Система должна удовлетворять следующим основным требованиям: полнота и достоверность данных; возможность применения автоматизированных устройств по обработке данных. Система сбора, обработки и анализ информации о надежности РЭА должна быть направлена на обеспечение оперативной разработки и реализации эффективных мер по повышению надежности изделий, а также поддержания эксплуатационной надежности на уровне не ниже требований технических условий. Упрощенно структурная схема и распределение информации о надежности РЭА на всех этапах жизненного цикла приведена на рисунке 2.7, где приняты следующие обозначения: 1 - методическое руководство и контроль по обеспечению надежности изделий; 2 - обобщенный анализ надежности изделий в процессе эксплуатации; 3 - ежеквартальные отчеты об отказах изделий; 4 - методики по оценке и контролю надежности изделий, меры по устранению отказов изделий; 5 - обобщенные ежеквартальные отчеты об отказах и неисправностях изделий в процессе серийного производства и эксплуатации; 6 - результаты анализа изделий, меры по устранению отказов; 7 - отказавшие изделия на анализ дефектов; 8 - результаты эксплуатации; 9 - отказавшие объекты на анализ дефектов. Пути построения и реализации системы на каждом этапе жизненного цикла изделий имеют свои особенности. Порядок изготовления РЭА в опытном производстве схематически следующий: прошедшие входной контроль РЭА поступают на монтаж приборов, собранные приборы проходят контроль ОТК и комплектуют изделие, которое в свою очередь проходит контроль ОТК и представителя заказчика. По выявленным отказам на протяжении всего цикла опытной обработки изделий разрабатываются и внедряются мероприятия по улучшению схемы, конструкции, технологичности изделий.
После тщательной обработки в опытном производстве и проведения государственных испытаний изделия передаются для серийного изготовления на завод-изготовитель. Объем статистической информации с серийного завода довольно большой. Это отказы на приемо-сдаточных, периодических, квалификационных, типовых испытаниях, наработка изделий на отказ, типы отказавших РЭА и т.д. По системе, изображенной на рисунке 2.7, информация о надежности изделий проходит длинный путь от одного предприятия к другому. Для разработки и реализации эффективных мер по повышению надежности изделий предлагается единая автоматизированная система сбора и обработки информации, по которой предприятие-изготовитель могло бы вводить в память ЭВМ статистическую информацию по своим данным и при необходимости, могло бы пользоваться данными других предприятий. Данная система сбора и обработки информации должна содержать бланк сообщения о неисправности (отказе РЭА). Бланк сообщения о неисправности заполняется:
Методы повышения верности в системах передачи данных
Результатом действия рассмотренных выше возмущающих факторов на информационные сигналы является возникновение ошибок. Действие ошибок, как было сказано выше, приводит к искажению результатов контроля. Борьба с возникающими ошибками ведется на разных уровнях модели OSI (в основном на первых четырех). Для борьбы с возникающими ошибками известно много различных способов. Все их можно подразделить на две группы: не использующие обратную связь (ОС) и использующие ее.
Системы передачи данных без обратной связи, В системах передачи дискретных сообщений без обратной связи достижение заданной верности чаще всего обеспечивается применением корректирующих кодов в режиме исправления ошибок. Для каналов с независимым характером ошибок практический интерес представляет лишь несколько кодов из десятков известных. Наиболее часто разработчики используют циклические коды, коды Рида-Соломона, сверточные коды, турбокоды [45] и матричные коды. Сверточный код обычно используется для передачи речевого трафика, когда вероятность ошибки может быть достаточно большой (»10 3). При передаче данных, когда требуется высокая надежность ( 10-6), применяются циклические коды, обладающие лучшей обнаруживающей способностью по сравнению со сверточными при меньшей избыточности [46], или каскадные коды. При применении каскадных кодов внутренним обычно является код Рида-Соломона, а внешним - сверточный или код Хемминга.
Большинство дискретных каналов в радиосистемах являются каналами с группирующимися ошибками. Замирания в радиоканалах, мощные импульсные помехи приводят к возникновению пачек ошибок большой длины в дискретном канале. В подобных ситуациях рассмотренные выше коды не могут гарантировать высокой достоверности приема. Попытки создания специальных кодов, способных исправлять длинные серии ошибок, предпринимались неоднократно (коды Хагельбаргера, Файера и т.д.), однако из-за высокой вычислительной сложности, экспоненциально возрастающей с увеличением длины пакета, они не нашли широкого применения.
Если существующие корректирующие коды в ряде случаев не могут обеспечить требуемой верности при приемлемых аппаратных и вычислительных затратах, то следует попытаться изменить параметры дискретного канала, на базе которого строится система.
Изменить параметры дискретного канала можно, подвергнув последовательность символов на его входе некоторому преобразованию, а выходную последовательность - обратному преобразованию. В результате можно получить канал, обладающий новыми свойствами, иногда более приемлемыми, чем исходный.
Системы передачи данных с обратной связью. Как известно большинство реальных каналов связи относится к числу нестационарных, в таких каналах состояние или качество канала связи меняется во времени. В каждом состоянии канал может характеризоваться своими параметрами (в простейшем случае вероятностью ошибок). Зная значение вероятности ошибки можно подобрать код, обеспечивающий заданную вероятность необнаруженной ошибки P Q. Однако, если выбирать код, ориентируясь на среднюю вероятность ошибки в канале, то на некоторых интервалах стационарности Рио будет превышать допустимую. Если выбирать код по максимальной вероятности ошибки, то это приведет к неоправданно низкой реальной скорости передачи данных.
Очевидно, что для наилучшего использования канала связи, необходимо в зависимости от состояния канала менять вносимую в канал избыточность, увеличивая ее по мере роста вероятности ошибки и уменьшая по мере снижения этой вероятности. Это можно обеспечить только при использовании систем с обратной связью.
Подробная классификация и алгоритмы работы систем с ОС приведены в [40,47-49]. В [40] произведено сравнение систем с информационной и решающей обратной связью и очерчена область применения этих систем. Наиболее распространенным классом систем с обратной связью сегодня является система с решающей обратной связью. Это системы: с РОС и ожиданием сигнала ОС; с безадресным повторением и блокировкой приемника и с адресным повторением. Системы с РОС и адресным повторением (РОС-АП) позволяют уменьшить объем информации, повторяемой при переспросах. В этих системах передача информации осуществляется блоками и в приемнике имеется память на весь блок с регистрами для каждой комбинации. Приемник системы РОС-АП вырабатывает сигнал переспроса адресов (условных номеров) комбинаций, в которых обнаружены ошибки, т. е. осуществляет адресный переспрос. В соответствии с этими адресами передатчик повторяет только забракованные комбинации, а не весь блок.
Достоинством систем с РОС-АП помимо уменьшения потерь времени на повторения, является практически полная независимость скорости передачи (при условии накопителя большой емкости) от длины линии, что особенно существенно, например, при передаче по космическим каналам связи. Кроме того, если потребитель информации допускает браковку нескольких знаков в кодограмме при условии указания адресов забракованных знаков, то системы с РОС-АП позволяют обеспечить при этом более эффективное использование пропускной способности канала по сравнению с системами с РОС-НП.
Основным недостатком систем с РОС-АП является более сложный алгоритм обработки информации в передатчике и приемнике аппаратуры ПД по сравнению с алгоритмом систем с РОС-НП и, как следствие, большая сложность технической реализации. В настоящее время развитие программных средств и микроэлектроники находится на достаточно высоком уровне, чтобы разрешить трудности, связанные с реализацией алгоритма РОС-АП.
Перечисленные выше системы с обратной связью являются адаптивными, то есть учитывающими состояние канала. Однако изменение вносимой избыточности в таких системах сводится, чаше всего, к повторению поврежденных ошибками блоков без изменения внутренних параметров системы. К внутренним параметрам системы можно отнести: длину блока, исправляющую способность кода, глубину перемежения - для систем с исправлением ошибок; размер окна, число допустимых повторений и длину блока - для систем с обнаружением ошибок и переспросом.
Определение матрицы переходных вероятностей и вектора начальных состояний системы с учетом вероятности необнаружения ошибки
Из рисунков 4.6, 4.8 видно, что при одной попытке вероятность успешной доставки монотонно растет с увеличением длины блока. Это объясняется тем, что при меньшем числе пакетов уменьшается объем передаваемой служебной информации r-N, а значит и общий объем элементов передаваемых за одну попытку. Очевидно, что в данном случае вероятность ошибки хотя бы в одном элементе будет меньше, а вероятность успешной доставки всего сообщения больше. Вероятность успешной доставки за последующие попытки будет иметь максимум при определенной длине пакета, что позволяет провести оптимизацию выбора длины п с целью достижения максимальной вероятности успешной доставки сообщения заданного объема при фиксированном числе попыток. Суммарные затраты двоичных элементов (рис. 4.7, 4.9) имеют минимум при некотором значении длины пакета. Это можно объяснить тем, что при больших длинах пакетов приходится повторять длинные пакеты, а при значительном увеличении числа пакетов увеличивается избыточность за счет служебной информации. Таким образом предложенная методика позволяет оптимизировать длину пакета для получения минимума затрат или максимальной вероятности успешной доставки при разных параметрах модели Гилберта отражающих помеховую обстановку в канале связи. Следует заметить, что максимум успешной доставки находится при меньших длинах блоков, чем минимум суммарных затрат. Поэтому указанные экстремумы ограничивают область длин блоков, где следует искать оптимальное решение.
Как показывают рисунки, увеличивая длину блока относительно оптимальной для Р , можно значительно снизить затраты при незначительной потере верности. Для =500 были получены аналогичные характеристики при худших параметрах канала:
Из графиков видно, что вероятность Р уменьшилась, а затраты возросли. Кроме того, значения длин блоков, при которых достигается максимум Руд и минимум суммарных затрат, уменьшились. Данная методика может быть реализована в адаптивных системах с целью организации наилучшей доставки сообщения заданного объема. Разработана методика анализа систем с обратной связью и адресным переспросом на основе аппарата Марковских цепей, учитывающая вероятность необнаружения ошибок в блоке и позволяющая получить зависимости вероятностей успешной доставки Р д сообщения и затрат Z на его доставку от длины сообщения при различных значениях внутренних параметров системы: длины блока, допустимом числе переспросов, и количестве блоков в пакете (п, I, N); оценить диапазон длин сообщений, удовлетворяющих заданным требованиям по Руд и Z при заданных параметрах (и, /, N); определить параметры системы («, /, 7V), обеспечивающие заданные Руд при минимальных затратах; оценить Руд для заданного диапазона длин сообщений при ограниченных затратах на доставку; оценить среднюю Р и средние затраты Z на доставку одного сообщения при известном законе распределения длин сообщений на входе системы передачи данных. Разработана методика позволяющая вычислить вероятности успешной доставки Р д и затраты Z на доставку сообщения фиксированной длины от длины блока. Данная методика позволяет подобрать внутренние параметры по системы для каждого сообщения в зависимости от его длины и параметров дискретного канала. Разработаны программы вычислений ВВХ на базе предложенных методик, позволяющие находить зависимости ВВХ от параметров системы и дискретного канала. Разработанные методика и программы позволяют оптимизировать параметры системы передачи данных с решающей обратной связью и адресным переспросом. В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты: 1. Проведено обобщение результатов расчетов и экспериментальных исследований за период с 1982 по 1999 г., позволившее сформулировать требования на надежность к основным характеристикам узлов и устройств ТКА; 2. Показано, что использование метода "стресс-скрининга" позволяет существенно уменьшить число ранних отказов и, следовательно, увеличить надежность ТКА; 3. Разработана методика определения оптимальных режимов "стресс-скрининга" (выбор уровней нагружения случайной широкополосной вибрацией, выбор уровней нагружения при термоциклировании, выбор уровней нагружения при электроиспытаниях), 4. Разработана модель комбинированного достоверного контроля, отличающаяся от известных тем, что при ее построении учтено время нахождения ТКА в неработоспособном состоянии в связи с отказом, обнаруживаемым непрерывным контролем. Кроме этого также учтено, что после отказа, обнаруживаемого только периодическим контролем, может произойти, как следствие, отказ, обнаруживаемый только непрерывным контролем. Тогда ТКА заблокируется и попадет на восстановление с отказом, обнаруживаемым непрерывным контролем. 5. Разработана модель недостоверного комбинированного контроля, отличающаяся от известных тем, что наряду с ошибками периодического контроля I и II рода учитывается ошибка непрерывного контроля I рода, а также вызванные этой ошибкой, новые состояния ТКА. 6. Разработаны рекомендации по сбору и обработке данных об ошибках контроля и отказах ТКА. 7. Получены формулы для расчета вероятностей ошибок I и II рода после передачи результатов достоверного контроля по дискретному каналу с ошибками. 8. На основе аппарата Марковских цепей, разработана методика анализа систем с обратной связью и адресным переспросом, учитывающая вероятность необнаружения ошибок в блоке и позволяющая получить зависимости вероятностей успешной доставки Р сообщения и затрат Zs на его доставку от длины сообщения при различных значениях внутренних параметров системы: длины блока, допустимом числе переспросов, и количестве блоков в пакете (и, /, N). 9. Разработана методика позволяющая вычислить вероятности успешной доставки Р и затраты Zz на доставку сообщения фиксированной длины от длины блока. Данная методика позволяет подобрать внутренние параметры системы для каждого сообщения в зависимости от его длины и параметров дискретного канала. Разработанные методика и программы позволяют оптимизировать параметры системы передачи данных с решающей обратной связью и адресным переспросом.
