Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Исследование и разработка метода оптимизации транспортной инфокоммуникационной сети с использованием многокритериальной оптимизации

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Связь абонентских систем с информационной компьютерной сетью (ИКС) есть функция сетей абонентского доступа. Абонентские системы подключаются к ИКС либо непосредственно, либо через сеть абонентского доступа. Неопределенность обстоятельств, с которыми приходится сталкиваться в реальности, позволяет отнести ИКС к классу сложных систем.

В процессе установления соединения источник отправляет вызов, проходящий к адресату по одному из множества построенных альтернативных маршрутов – виртуальных каналов (ВК). ВК состоит из путей, связывающих узлы коммутации, входящие в данный маршрут. Применительно к прохождению вызова от станции к станции состояние пути бинарно: либо он занят, и вызов по нему не проходит (состояние пути 1), либо путь свободен, и вызов через него пройдет (состояние 0). Возможно, что вызов:

• дойдет до адресата, и будет установлено соединение за время, не превышающее допустимое;

• дойдет до адресата, и будет установлено соединение, но за время, превышающее допустимое;

• не дойдет до адресата, поскольку все пути загружены или неработоспособны.

Идеей магистерской работы является анализ существующих методов для оценки надежности и создание нового метода, опираясь на информацию, полученную при анализе.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ

В первой главе, в результате обзора информационных источников, приведены опорные понятия, анализ принципов оценки надежности.

Появление глобальной сети сетей Internet и растущее громадными темпами количество ее пользователей становится планетарным явлением, которое может привести даже к социальным изменениям. Другими словами, мировое сообщество приближается к такой степени зависимости своего существования от функционирования информационных сетей, которая сравнима с зависимостью от систем обеспечения электроэнергией. Это кроме очевидных достоинств имеет и обратную сторону. Отказ сети связи может иметь последствия, превосходящие последствия аварий энергосистемы. В связи с этим проблема оценки и обеспечения надежности сетей является актуальной.

Телекоммуникации – это любые формы связи, способы передачи информации на большие расстояния. Телекоммуникации также представляют собой процессы передачи, получения и обработки информации на расстоянии с применением электронных, электромагнитных, сетевых, компьютерных и информационных технологий.

Основными отраслями телекоммуникаций на сегодняшний день являются: интернет, мобильная связь, сети передачи данных (беспроводные, оптоволоконные и т.д.), спутниковые системы связи, цифровое и аналоговое телевидение, телефонная связь, электронный банкинг (рисунок 1).

Диаграмма телекоммуникации

Рисунок 1 – Диаграмма телекоммуникации

Гиф изображение (5 кадров, бесконечное число циклов, 35 Кбайт)

По данным ЮНЕСКО, в настоящее время более половины трудоспособного населения развитых стран прямо или косвенно принимает участие в процессе производства и распределения информации. Три ведущие отрасли информационного сектора общественного производства (вычислительная техника, промышленная электроника и связь) играют сейчас для этих стран ту же роль, которую на этапе их индустриализации играла тяжелая промышленность.

Надежность – это свойство объекта (системы), заключающееся в его способности выполнять заданные функции при определенных условиях эксплуатации. Количественно надежность характеризуется рядом показателей, состав и способ определения которых зависят от типа анализируемой системы.

Теория надежности является основой инженерной практики в области надежности технических изделий. Часто безотказность определяют как вероятность того, что изделие будет выполнять свои функции на определенном периоде времени при заданных условиях. Математически это можно записать следующим образом:

где Pr – функция плотности времени наработки до отказа, а t – продолжительность периода времени функционирования изделия, в предположении, что изделие начинает работать в момент времени t=0.

Теория надежности предполагает следующие четыре основных допущения:

• Отказ рассматривается как случайное событие. Причины отказов, соотношения между отказами (за исключением того, что вероятность отказа есть функция времени) задаются функцией распределения. Инженерный подход к надежности рассматривает вероятность безотказной работы как оценку на определенном статистическом доверительном уровне.

• Надежность системы тесно связана с понятием заданная функция системы. В основном, рассматривается режим работы без отказов. Однако если в отдельных частях системы нет отказов, но система в целом не выполняет заданных функций, то это относится к техническим требованиям системы, а не к показателям надежности.

• Надежность системы может рассматриваться на определенном отрезке времени. На практике это означает, что система имеет вероятность функционировать это время без отказов. Показатели надежности гарантируют, что компоненты и материалы будут соответствовать требованиям на заданном отрезке времени. В общем случае надежность относится к понятию наработка, которое в зависимости от назначения системы и условий ее применения определяет продолжительность или объем работы. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километраж пробега в милях или километрах и т.п.), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков, выстрелов оружия и т.п.).

• Согласно определению, надежность рассматривается относительно заданных режимов и условий применения. Это ограничение необходимо, так как невозможно создать систему, которая способна работать в любых условиях. Внешние условия функционирования системы должны быть известны на этапе проектирования.

Методы оценки надежности существуют длительное время. Рассмотрим некоторые из них:

1. Структурные методы расчета надежности.

Они являются основными методами расчета показателей надежности в процессе проектирования объектов, поддающихся разукрупнению на элементы, характеристики, надежности которых в момент проведения расчетов известны или могут быть определены другими методами. Расчет показателей надежности структурными методами в общем случае включает:

• представление объекта в виде структурной схемы, описывающей логические соотношения между состояниями элементов и объекта в целом с учетом структурно-функциональных связей и взаимодействия элементов;

• описание построенной структурной схемы надежности объекта адекватной математической моделью, позволяющей в рамках введенных предположений и допущений вычислить показатели надежности объекта по данным о надежности его элементов в рассматриваемых условиях применения.

В качестве структурных схем надежности могут применяться:

• схемы функциональной целостности;

• структурные блок-схемы надежности;

• деревья отказов;

• графы состояний и переходов.

2. Логико-вероятностный метод.

В логико-вероятностных методах (ЛВМ) исходная постановка задачи и построение модели функционирования исследуемого системного объекта или процесса осуществляется структурными и аналитическими средствами математической логики, а расчет показателей свойств надежности, живучести и безопасности выполняется средствами теории вероятностей.

ЛВМ являются методологией анализа структурно-сложных систем, решения системных задач организованной сложности, оценки и анализа надежности, безопасности и риска технических систем. ЛВМ удобны для исходной формализованной постановки задач в форме структурного описания исследуемых свойств функционирования сложных и высоко-размерных систем. В ЛВМ разработаны процедуры преобразования исходных структурных моделей в искомые расчетные математические модели, что позволяет выполнить их алгоритмизацию и реализацию на ЭВМ.

3. Общий логико-вероятностный метод.

Необходимость распространения ЛВМ на немонотонные процессы привела к созданию общего логико-вероятностного метода (ОЛВМ). В ОЛВМ расчет надежности аппарат математической логики используется для первичного графического и аналитического описания условий реализации функций отдельными группами элементов в проектируемой системе, а методы теории вероятностей и комбинаторики применяются для количественной оценки безотказности и/или опасности функционирования проектируемой системы в целом. Для использования ОЛВМ должны задаваться специальные структурные схемы функциональной целостности исследуемых систем, логические критерии их функционирования, вероятностные и другие параметры элементов.

В основе постановки и решения всех задач моделирования и расчета надежности систем с помощью ОЛВМ лежит так называемый событийно-логический подход. Этот подход предусматривает последовательное выполнение следующих четырех основных этапов ОЛВМ:

• этап структурно-логической постановки задачи;

• этап логического моделирования;

• этап вероятностного моделирования;

• этап выполнения расчетов показателей надежности.

2. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ

Для линии связи между двумя взаимодействующими объектами, применимо следующее определение надежности: надежность – свойство системы связи (СС) сохранять во времени в установленных пределах значения параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Однако для того, чтобы можно было дать сравнительную оценку надежности различных изделий, необходимо количественно оценить надежность различных систем и их элементов. Наиболее универсальной количественной характеристикой надежности является коэффициент готовности, с которым однозначно связан коэффициент вынужденного простоя (или коэффициент неготовности).

Коэффициент готовности Kг – это вероятность того, что система будет работоспособна в произвольно выбранный момент времени и рсчитывается по фурмуле (4).

где: N – количество отказов на линии связи в течение заданного промежутка времени (N=5);
К – количество лет, за которое произошло N отказов (К=7 лет);
L – длина проектируемой линии связи (L=101,5 км).

Среднее время между отказами To можно определить из выражения:

где tв – среднее время восстановления связи (tв=2,3 часа).

Коэффициент готовности:

Коэффициент вынужденного простоя (коэффициент неготовности) Kп – это вероятность того, что система не будет работоспособна в произвольно выбранный момент времени, рассчитывается по следующей формуле:

Несмотря на простоту формулы (4), ее практическое использование связано с возможностью вычисления входящих в нее параметров: средней наработки на отказ и среднего времени восстановления работоспособного состояния. Если для отдельных компонентов среднее время наработки на отказ определяется фирмой-производителем, то время восстановления работоспособного состояния зависит от многих конкретных условий эксплуатации. Легко заметить, что коэффициент готовности (Kг) отдельных компонентов и сети связи в целом величины различные, но взаимосвязанные. Так, если надежность (коэффициент готовности) компонентов системы низка, то и надежность всей системы будет более низкой, чем при использовании более надежных компонентов. Международный стандарт G.602 характеризует готовность канала оптической линии связи, приводя его к готовности эталонной гипотетической системы передачи с длиной оптического кабеля 2500 км в одном направлении (с учетом возможного резервирования). При этом коэффициент готовности должен быть не менее 0,996. Для российских линий связи рекомендуется пересчитывать коэффициент готовности к национальной гипотетической линии длиной 13 900 км. Коэффициент готовности такой линии должен быть не менее 0,98 (без резервирования), что при пересчете соответствует международной норме. Четыре фактора, влияющих на коэффициент готовности:

  1. отказоустойчивость оборудования;
  2. автоматическое защитное переключение;
  3. методика и технологическая дисциплина эксплуатации;
  4. характер трассы и защитные мероприятия.

Основным способом повышения надежности работы волоконно-оптической сети связи в целом является резервирование. При наличии аварии необходимо автоматическое переключение на резервные линии связи.

Универсальным методом оценки качества цифровой системы связи является коэффициент ошибок (BER), определяемый как отношение числа ошибочно принятых битов (NОШ) к общему числу переданных битов (N), формула (5):

Рекомендуется использовать следующие критерии качества работы системы связи:

Норма < 10^(-10).

Пониженное качество 10^(-10)< < 10^(-6).

Повреждение 10^(-6)< < 10^(-3).

Отказ > 10^(-3).

Так как в нормальных условиях система не может функционировать при коэффициенте ошибки > 10^(-3), этот критерий можно использовать как критерий неработоспособности системы. При таком уровне коэффициента ошибок система автоматически производит отключение аппаратуры.

По мере увеличения сложности системы связи вероятность выхода из строя какого-либо из ее компонентов увеличивается. Если в системе отсутствует резервирование, то уменьшается коэффициент готовности системы. Современные системы связи используют большое количество элементов, что делает необходимым использование резервирования и обходных маршрутов для повышения коэффициента готовности системы связи в целом.

Системы без резервирования могут быть применены, когда время на ремонт занимает не более 2 часов, тогда как системы с полным двойным или даже тройным резервированием нужны для достижения желаемого коэффициента готовности, когда труднодоступный пункт становится критическим узлом связи. Для большинства расчетов коэффициента готовности системы при нормальном доступе среднее время на ремонт 4 часа общепринято рассматривать как приемлемое для ремонта электронных компонентов. Восстановление волокон или кабелей может занять значительно больше времени (различными нормативами устанавливается время восстановления оптической линии от 5 до 48 часов). Надежность волоконно-оптических систем зависит от надежности составляющих элементов (оптических линий, мультиплексоров, коммутаторов, маршрутизаторов и т.д.), от наличия дополнительных источников сбоев, а также от выбранной схемы защиты.

Ключевым методом повышения надежности работы сети связи является резервирование. Наиболее надежное, но одновременно самое дорогое решение дает схема полного дублирования, когда имеется полный комплект незадействованного оборудования. При этом резервирование оптического волокна целесообразно, с точки зрения повышения надежности, проводить по разнесенным трассам. Экономичное решение – использование резервирования по схеме 1: N – одна линия может быть использована как резервная для N линий. В системах связи с плотным спектральным мультиплексированием (DWDM) снижение затрат на запасное оборудование дает использование перестраиваемых лазеров. К сожалению, для резервирования по схеме 1: N оптических кабельных линий – наиболее уязвимого элемента системы связи – необходима развитая сетевая инфраструктура.

Надежность кабельной линии определяется характеристиками надежности кабеля и условиями его эксплуатации. Наиболее важными из условий эксплуатации являются воздействие окружающей среды и воздействие, связанное с деятельностью человека. Хозяйственная деятельность, в основном механизированные земляные работы, часто является главным источником повреждений подземных кабелей. Воздействию неблагоприятных внешних условий (молнии, налипание снега, обледенение, сильный ветер и проч.) в большей степени подвержены воздушные кабельные линии. Измерение и расчет реальной надежности кабельной системы в конкретных условиях эксплуатации являются весьма сложной задачей. Практически для получения достоверного значения необходимо накопление опытных данных за значительный период времени. Общими причинами, как для подземного, так и для воздушного способа прокладки повреждений являются следующие:

  1. вандализм;
  2. скрытый брак при производстве оптического кабеля (ОК);
  3. некачественные строительные работы или монтаж;
  4. ошибки проектирования (неправильный выбор типа кабеля, несоответствие технических требований условиям эксплуатации).

Вандализм является одной из очень распространенных причин повреждений. В большей степени ему подвержены кабели с металлическими элементами (обнаруживаемые с помощью металлоискателей) и ОК воздушной прокладки. Скрытый брак при производстве ОК в настоящее время маловероятен ввиду того, что практически все производители ОК сертифицированы по системе ISO и контроль на стадии производства гораздо легче организовать, чем на более поздних стадиях. Некачественные строительные работы или монтаж обычно вскрываются при введении ВОЛС в эксплуатацию и в большинстве случаев могут быть исправлены и устранены в относительно сжатые сроки. Ошибки проектирования имеют самые серьезные последствия, они трудно диагностируются на этапе ввода системы связи в эксплуатацию и проявляются по прошествии некоторого времени.

Основными причинами повреждений подземных кабельных линий являются следующие:

  1. механические повреждения ОК при проведении строительно-монтажных работ сторонними организациями в пределах охранных зон кабельной линии;
  2. механические повреждения ОК от перемещения грунтов (обвалы, пучения, оползни, селевые потоки и т.д.), как правило, в пределах одной-двух строительных длин оптического кабеля;
  3. повреждения ОВ за счет старения или попадания в сердечник кабеля влаги;
  4. повреждение кабелей от грозовых воздействий (при наличии металлических элементов в конструкции оптического кабеля);
  5. механическое повреждение ОК с обрывом оптических волокон, не связанное с повреждением элементов несущей конструкции;
  6. деформация элемента опоры, вызвавшая обрыв ОК;
  7. падение опоры (опор), вызвавшее обрыв ОК;
  8. обрыв ОК или самопроизвольный обрыв оптического волокна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение можно сказать, что аварию легче предотвратить, чем устранить, однако практика строительства ВОЛС показывает, что зачастую этой истиной пренебрегают. Надежность будущей системы закладывается на самых первых стадиях проекта. Практическая рекомендация заключается в том, что не следует чрезмерно экономить на подготовительных этапах реализации проекта, к которым относятся:

  1. предпроектное обследование;
  2. составление технических условий (ТУ) и технических требований (ТТ) к будущей системе;
  3. составление требований к проектной организации;
  4. проведение тендера по выбору проектной организации.

Крайне желательно измерения проводить не реже двух раз в год. Однако в настоящее время еще многие организации, располагающие ВОЛС, вообще не проводят эксплуатационные измерения и технический ремонт. В конечном счете он будет отвергнут по экономическим причинам.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконнооптических ли ний связи на воздушных линиях электропе редачи напряжением 0,4–35 кВ // Министер ство топлива и энергетики РФ, РАО ЕЭС России, 2002.
  2. Павлова Е.Г. Внедрение перестраивае мых лазеров и мультиплексоров в телеком муникационные сети / /Lightwave Russian Еdition, 2004, № 4, с. 20.
  3. Кабыш С. Надежность прежде всего // Сети и телекоммуникации, 2004, № 3, с. 74–79.
  4. Спиридонов В.Н. Приемка оптических ка белей на заводахизготовителях // Lightwave Russian Еdition, 2003, № 2, с. 35-37.
  5. Спиридонов В.Н. Оптические волокна и кабели для протяженных линий связи // Lightwave Russian Еdition, 2003, № 1, с. 31-35.
  6. Спиридонов В.Н. Двенадцать характер ных ошибок при строительстве ВОЛС // Lightwave Russian Еdition, 2004, № 3, с. 34-37.
  7. А. А. Зацаринный, А.И. Гаранин, С. В. Козлов. статья Некоторые Методические Подходы к Оценке Надежности Элементов Информационно-Телекоммуникационных Сетей Системы и средства информатики 2011 г.
  8. Быховский, М.А. Об одной возможности повышения пропускной способности широкополосных систем связи, - Мобильные системы, - май 2006.
  9. Парнес, М. Адаптивные антенны для систем связи WiMax, -Компоненты и технологии, апрель 2007.
  10. Дайлан Ларсон, Рави Мерти, Эмили Ци. Адаптивный подход к оптимизации производительности беспроводных сетей Technology at intel, март 2004.
  11. Принципы организации сотовой сети мобильной связи [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://afu.com.ua/gsm/obshchie-polozheniya