Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Дослідження та розробка методу оптимізації транспортної інфокомунікаційної мережі з використанням багатокритеріальної оптимізації

Зміст

ВВЕДЕННЯ

Зв'язок абонентських систем з інформаційною комп'ютерною мережею (Ікс) є функція мереж абонентського доступу. Абонентські системи підключаються до Ікс або безпосередньо, або через мережу абонентського доступу. Невизначеність обставин, з якими доводиться стикатися в реальності, дозволяє віднести Ікс до класу складних систем.

У процесі встановлення з'єднання джерело відправляє виклик, що проходить до адресата по одному з безлічі побудованих альтернативних маршрутів – віртуальних каналів (ВК). ВК складається з шляхів, що зв'язують вузли комутації, що входять в даний маршрут. Стосовно до проходження виклику від станції до станції стан шляху бінарно: або він зайнятий, і виклик по ньому не проходить (стан шляху 1), або шлях вільний, і виклик через нього пройде (стан 0). Можливо, що виклик:

• дійде до адресата, і буде встановлено з'єднання за час, що не перевищує допустимий;

• дійде до адресата, і буде встановлено з'єднання, але за час, що перевищує допустимий;

• не дійде до адресата, оскільки всі шляхи завантажені або непрацездатні.

Ідеєю магістерської роботи є аналіз існуючих методів для оцінки надійності та створення нового методу, спираючись на інформацію, отриману при аналізі.

1. АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ МЕТОДІВ ДЛЯ ОЦІНКИ НАДІЙНОСТІ

У першому розділі, в результаті огляду інформаційних джерел, наведені опорні поняття, аналіз принципів оцінки надійності.

Поява глобальної мережі мереж Internet і зростаюче величезними темпами кількість її користувачів стає планетарним явищем, яке може привести навіть до соціальних змін. Іншими словами, світова спільнота наближається до такої міри залежності свого існування від функціонування інформаційних мереж, яка порівнянна із залежністю від систем забезпечення електроенергією. Це крім очевидних переваг має і зворотну сторону. Відмова мережі зв'язку може мати наслідки, що перевершують наслідки аварій енергосистеми. У зв'язку з цим проблема оцінки та забезпечення надійності мереж є актуальною.

Телекомунікації-це будь-які форми зв'язку, способи передачі інформації на великі відстані. Телекомунікації також являють собою процеси передачі, отримання та обробки інформації на відстані із застосуванням електронних, електромагнітних, мережевих, комп'ютерних та інформаційних технологій.

Основними галузями телекомунікацій на сьогоднішній день є: Інтернет, мобільний зв'язок, мережі передачі даних (бездротові, оптоволоконні і т.д.), супутникові системи зв'язку, цифрове та аналогове телебачення, Телефонний зв'язок, електронний банкінг (Малюнок 1).

Діаграма телекомунікації

Малюнок 1 – Діаграма телекомунікації

Гіф зображення (5 кадрів, нескінченне число циклів, 35 Кбайт)

За даними ЮНЕСКО, в даний час більше половини працездатного населення розвинених країн прямо або побічно бере участь в процесі виробництва і розподілу інформації. Три провідні галузі інформаційного сектора суспільного виробництва (обчислювальна техніка, промислова електроніка і зв'язок) грають зараз для цих країн ту ж роль, яку на етапі їх індустріалізації грала важка промисловість.

Надійність – це властивість об'єкта (системи), що полягає в його здатності виконувати задані функції при певних умовах експлуатації. Кількісно надійність характеризується рядом показників, склад і спосіб визначення яких залежать від типу аналізованої системи.

Теорія надійності є основою інженерної практики в області надійності технічних виробів. Часто безвідмовність визначають як ймовірність того, що виріб буде виконувати свої функції на певному періоді часу при заданих умовах. Математично це можна записати наступним чином:

де Pr – функція щільності часу напрацювання до відмови, а t – тривалість періоду часу функціонування виробу, в припущенні, що виріб починає працювати в момент часу t=0.

Теорія надійності передбачає наступні чотири основних допущення:

• відмова розглядається як випадкова подія. Причини відмов, співвідношення між відмовами (за винятком того, що ймовірність відмови є функція часу) задаються функцією розподілу. Інженерний підхід до надійності розглядає ймовірність безвідмовної роботи як оцінку на певному статистичному довірчому рівні.

• надійність системи тісно пов'язана з поняттям задана функція системи. В основному, розглядається режим роботи без відмов. Однак якщо в окремих частинах системи немає відмов, але система в цілому не виконує заданих функцій, то це відноситься до технічних вимог системи, а не до показників надійності.

• надійність системи може розглядатися на певному відрізку часу. На практиці це означає, що система має ймовірність функціонувати цей час без відмов. Показники надійності гарантують, що компоненти і матеріали будуть відповідати вимогам на заданому відрізку часу. У загальному випадку надійність відноситься до поняття напрацювання, яке в залежності від призначення системи і умов її застосування визначає тривалість або обсяг роботи. Напрацювання може бути як безперервною величиною (тривалість роботи в годинах, кілометраж пробігу в милях або кілометрах і т.п.), так і цілочисельної величиною (число робочих циклів, запусків, пострілів зброї і т. п.).

• згідно з визначенням, надійність розглядається відносно заданих режимів і умов застосування. Це обмеження необхідно, так як неможливо створити систему, яка здатна працювати в будь-яких умовах. Зовнішні умови функціонування системи повинні бути відомі на етапі проектування.

Методи оцінки надійності існують тривалий час. Розглянемо деякі з них:

1. Структурні методи розрахунку надійності.

Вони є основними методами розрахунку показників надійності в процесі проектування об'єктів, що піддаються розукрупненню на елементи, характеристики, надійності яких в момент проведення розрахунків відомі або можуть бути визначені іншими методами. Розрахунок показників надійності структурними методами в загальному випадку включає:

• представлення об'єкта у вигляді структурної схеми, що описує логічні співвідношення між станами елементів і об'єкта в цілому з урахуванням структурно-функціональних зв'язків і взаємодії елементів;

• опис побудованої структурної схеми надійності об'єкта адекватною математичною моделлю, що дозволяє в рамках введених припущень і припущень обчислити показники надійності об'єкта за даними про надійність його елементів в розглянутих умовах застосування.

В якості структурних схем надійності можуть застосовуватися:

• схеми функціональної цілісності;

• структурні блок-схеми надійності;

• дерева відмов;

• графи станів і переходів.

2. Логіко-імовірнісний метод.

У логіко-імовірнісних методах (ЛВМ) вихідна постановка задачі і побудова моделі функціонування досліджуваного системного об'єкта або процесу здійснюється структурними і аналітичними засобами математичної логіки, а розрахунок показників властивостей надійності, живучості і безпеки виконується засобами теорії ймовірностей.

ЛВМ є методологією аналізу структурно-складних систем, вирішення системних завдань організованої складності, оцінки та аналізу надійності, безпеки та ризику технічних систем. ЛВМ зручні для вихідної формалізованої постановки задач у формі структурного опису досліджуваних властивостей функціонування складних і високо-розмірних систем. У ЛВМ розроблені процедури перетворення вихідних структурних моделей в шукані розрахункові математичні моделі, що дозволяє виконати їх алгоритмізацію і реалізацію на ЕОМ.

3. Загальний логіко-імовірнісний метод.

Необхідність поширення ЛВМ на немонотонні процеси призвела до створення загального логіко-імовірнісного методу (ЗЛіМ). В ЗЛіМ розрахунок надійності апарат математичної логіки використовується для первинного графічного та аналітичного опису умов реалізації функцій окремими групами елементів у проектованій системі, а методи теорії ймовірностей та комбінаторики застосовуються для кількісної оцінки безвідмовності та/або небезпеки функціонування проектованої системи в цілому. Для використання ЗЛіМ повинні задаватися спеціальні структурні схеми функціональної цілісності досліджуваних систем, логічні критерії їх функціонування, імовірнісні та інші параметри елементів.

В основі постановки і вирішення всіх завдань моделювання і розрахунку надійності систем за допомогою ЗЛіМ лежить так званий подієво-логічний підхід. Цей підхід передбачає послідовне виконання наступних чотирьох основних етапів ЗЛіМ:

• етап структурно-логічної постановки задачі;

• етап логічного моделювання;

• етап імовірнісного моделювання;

• етап виконання розрахунків показників надійності .

2. ОЦІНКА НАДІЙНОСТІ

Для лінії зв'язку між двома взаємодіючими об'єктами, застосовне наступне визначення надійності :надійність – властивість системи зв'язку (СС) зберігати в часі у встановлених межах значення параметрів, що характеризують здатність виконувати необхідні функції в заданих режимах і умовах застосування. Однак для того, щоб можна було дати порівняльну оцінку надійності різних виробів, необхідно кількісно оцінити надійність різних систем і їх елементів. Найбільш універсальною кількісною характеристикою надійності є коефіцієнт готовності, з яким однозначно пов'язаний коефіцієнт вимушеного простою (або коефіцієнт неготовності).

Коефіцієнт готовності kг – це ймовірність того, що система буде працездатна в довільно обраний момент часу і обчислюється по фурмуле (4).

де: n – кількість відмов на лінії зв'язку протягом заданого проміжку часу (N=5); < br>к – кількість років, за яке відбулося N відмов (к=7 років); < br>l – довжина проектованої лінії зв'язку (L=101,5 км).

Середній час між відмовами to можна визначити з виразу:

де tв – середній час відновлення зв'язку (tв=2,3 години).

коефіцієнт готовності:

Коефіцієнт вимушеного простою (коефіцієнт неготовності) kп – це ймовірність того, що система не буде працездатна в довільно обраний момент часу, розраховується за такою формулою:

Незважаючи на простоту Формули (4), її практичне використання пов'язане з можливістю обчислення вхідних в неї параметрів: середнього напрацювання на відмову і середнього часу відновлення працездатного стану. Якщо для окремих компонентів середній час напрацювання на відмову визначається фірмою-виробником, то час відновлення працездатного стану залежить від багатьох конкретних умов експлуатації. Легко помітити, що коефіцієнт готовності (Kг) окремих компонентів і мережі зв'язку в цілому величини різні, але взаємопов'язані. Так, якщо надійність (коефіцієнт готовності) компонентів системи низька, то і надійність всієї системи буде нижчою, ніж при використанні більш надійних компонентів. Міжнародний стандарт G. 602 характеризує готовність каналу оптичної лінії зв'язку, приводячи його до готовності еталонної гіпотетичної системи передачі з довжиною оптичного кабелю 2500 км в одному напрямку (з урахуванням можливого резервування). При цьому коефіцієнт готовності повинен бути не менше 0,996. Для російських ліній зв'язку рекомендується перераховувати коефіцієнт готовності до національної гіпотетичної лінії довжиною 13 900 км.коефіцієнт готовності такої лінії повинен бути не менше 0,98 (без резервування), що при перерахунку відповідає міжнародній нормі. Чотири фактори, що впливають на коефіцієнт готовності:

  1. відмовостійкість обладнання;
  2. автоматичне захисне перемикання;
  3. методика і технологічна дисципліна експлуатації;
  4. характер траси і захисні заходи.

Основним способом підвищення надійності роботи волоконно-оптичної мережі зв'язку в цілому є резервування. При наявності аварії необхідно автоматичне перемикання на резервні лінії зв'язку.

Універсальним методом оцінки якості цифрової системи зв'язку є коефіцієнт помилок (BER), який визначається як відношення числа помилково прийнятих бітів (NОШ) до загального числа переданих бітів (N), формула (5):

Рекомендується використовувати наступні критерії якості роботи системи зв'язку:

Норма < 10^(-10).

Знижена якість 10^(-10)< < 10^(-6).

Пошкодження 10^(-6)< < 10^(-3).

Відмова > 10^(-3).

Так як в нормальних умовах система не може функціонувати при коефіцієнті помилки > 10^(-3), цей критерій можна використовувати як критерій непрацездатності системи. При такому рівні коефіцієнта помилок система автоматично виробляє відключення апаратури.

У міру збільшення складності системи зв'язку ймовірність виходу з ладу будь-якого з її компонентів збільшується. Якщо в системі відсутня резервування, то зменшується коефіцієнт готовності системи. Сучасні системи зв'язку використовують велику кількість елементів, що робить необхідним використання резервування і обхідних маршрутів для підвищення коефіцієнта готовності системи зв'язку в цілому.

Системи без резервування можуть бути застосовані, коли час на ремонт займає не більше 2 годин, тоді як системи з повним подвійним або навіть потрійним резервуванням потрібні для досягнення бажаного коефіцієнта готовності, коли важкодоступний пункт стає критичним вузлом зв'язку. Для більшості розрахунків коефіцієнта готовності системи при нормальному доступі середній час на ремонт 4 години загальноприйнято розглядати як прийнятне для ремонту електронних компонентів. Відновлення волокон або кабелів може зайняти значно більше часу (різними нормативами встановлюється час відновлення оптичної лінії від 5 до 48 годин). Надійність волоконно-оптичних систем залежить від надійності складових елементів (оптичних ліній, мультиплексорів, комутаторів, маршрутизаторів і т.д.), від наявності додаткових джерел збоїв, а також від обраної схеми захисту.

Ключовим методом підвищення надійності роботи мережі зв'язку є резервування. Найбільш надійне, але одночасно найдорожче рішення дає схема повного дублювання, коли є повний комплект незадіяного обладнання. При цьому резервування оптичного волокна доцільно, з точки зору підвищення надійності, проводити по рознесених трасах. Економічне рішення – використання резервування за схемою 1: n – одна лінія може бути використана як резервна для N ліній. У системах зв'язку з щільним спектральним мультиплексуванням (DWDM) зниження витрат на запасне обладнання дає використання перебудовуються лазерів. На жаль, для резервування за схемою 1: n оптичних кабельних ліній – найбільш вразливого елемента системи зв'язку – необхідна розвинена мережева інфраструктура.

Надійність кабельної лінії визначається характеристиками надійності кабелю і Умовами його експлуатації. Найбільш важливими з умов експлуатації є вплив навколишнього середовища і вплив, пов'язаний з діяльністю людини. Господарська діяльність, в основному механізовані Земляні роботи, часто є головним джерелом пошкоджень підземних кабелів. Впливу несприятливих зовнішніх умов (блискавки, налипання снігу,обмерзання, сильний вітер та ін.) більшою мірою схильні повітряні кабельні лінії. Вимірювання і розрахунок реальної надійності кабельної системи в конкретних умовах експлуатації є досить складним завданням. Практично для отримання достовірного значення необхідно накопичення дослідних даних за значний період часу. Загальними причинами, як для підземного, так і для повітряного способу прокладки пошкоджень є наступні:

  1. вандалізм;
  2. прихований брак при виробництві оптичного кабелю (ОК);
  3. неякісні будівельні роботи або монтаж;
  4. помилки проектування (неправильний вибір типу кабелю, невідповідність технічних вимог умовам експлуатації).

Вандалізм є однією з дуже поширених причин пошкоджень. Більшою мірою йому схильні кабелі з металевими елементами (виявляються за допомогою металошукачів) і ОК повітряної прокладки. Прихований брак при виробництві ОК в даний час малоймовірний з огляду на те, що практично всі виробники ОК сертифіковані за системою ISO і контроль на стадії виробництва набагато легше організувати, ніж на більш пізніх стадіях. Неякісні будівельні роботи або монтаж зазвичай розкриваються при введенні ВОЛЗ в експлуатацію і в більшості випадків можуть бути виправлені і усунені у відносно стислі терміни. Помилки проектування мають найсерйозніші наслідки, вони важко діагностуються на етапі введення системи зв'язку в експлуатацію і проявляються після деякого часу.

Основними причинами пошкоджень підземних кабельних ліній є наступні:

  1. механічні пошкодження ОК при проведенні будівельно-монтажних робіт сторонніми організаціями в межах охоронних зон кабельної лінії;
  2. механічні пошкодження ОК від переміщення грунтів (обвали, здимання, зсуви, селеві потоки і т. д.), як правило, в межах однієї-двох будівельних довжин оптичного кабелю;
  3. пошкодження ОВ за рахунок старіння або попадання в сердечник кабелю вологи;
  4. пошкодження кабелів від грозових впливів (при наявності металевих елементів в конструкції оптичного кабелю);
  5. механічне пошкодження ОК з обривом оптичних волокон, не пов'язане з пошкодженням елементів несучої конструкції;
  6. деформація елемента опори, що викликала обрив ОК;
  7. падіння опори( опор), що викликало обрив ОК;
  8. обрив ОК або мимовільний обрив оптичного волокна.

ВИСНОВОК

На закінчення можна сказати, що аварію легше запобігти, ніж усунути, проте практика будівництва ВОЛЗ показує, що найчастіше цією істиною нехтують. Надійність майбутньої системи закладається на найперших стадіях проекту. Практична рекомендація полягає в тому, що не слід надмірно економити на підготовчих етапах реалізації проекту, до яких відносяться:

  1. передпроектне обстеження;
  2. складання технічних умов (ТУ) і технічних вимог (ТТ) до майбутньої системи;
  3. складання вимог до проектної організації;
  4. проведення тендеру з вибору проектної організації.

Вкрай бажано вимірювання проводити не рідше двох разів на рік. Однак в даний час ще багато організацій, що мають ВОЛЗ, взагалі не проводять експлуатаційні Вимірювання і технічний ремонт. В кінцевому рахунку він буде відкинутий з економічних причин.

СПИСОК ВИКОРИСТОВУВАНИХ ДЖЕРЕЛ

  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