CC BY
54
Ибрагимов Б.Г. МЕТОД ОЦЕНКИ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ТЕРМИНАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
Одним из основных требований, предъявляемых к терминальных комплексов (ТК) систем телекоммуникации (СТ) для управления передачей неоднородного трафика и доступа мультисервисных сетей связи, являются их высокая отказоустойчивость. В [1,2] установлено, что эффективность ТК на основе блочно-модульных систем зависит в значительной мере от их отказоустойчивости и надежности. На основе методики выбора качественной и количественной характеристик системы телекоммуникации, имеющихся в данной работе [2,3], исследуются методы повышения отказоустойчивых характеристики ТК и рассматривается изложение концептуального подхода к вопросам обеспечения надежности функционирования СТ для передачи и приема неоднородного трафика.
Надежность ТК систем телекоммуникаций - это свойство функциональных модульных систем, сохранять во времени при обмене информации работоспособность системы в установленных пределах, выполняющие требуемые телекоммуникационные процессы Fm={fl,f2,-,fn} в заданных режимах и условиях передачи.
Для определения показателей отказоустойчивости и надежности ТК используется методы динамического распределения запросов с балансировкой нагрузки систем телекоммуникаций и математической статистики, позволяющие с заданной достоверностью оценить значения этих показателей [2,4]. Учитывая случайный характер потока отказов в ТК, которые вызваны сбоями их элементов, для оценки надежности используются вероятность работоспособности и вероятность безотказной работы системы, характеризующие в заданном промежутке времени непрерывную работу функциональных модульных систем [5].
Допустим, что в ТК одинаковые элементы минимального N0 и максимального ^, которые подвергаются испытаниям, через промежуток времени t вышли из строя N3 элементов, а N сохраняют работоспособность. Вероятность работоспособности ТК, состоящих из ^ элементов, в которых после отказа, приводят к потере функциональных возможностей 1-го узла модульных систем, определяется выражением[2]:
- Р*)Ыт" (1)
•=N0
Из (1) следует, что вероятность работоспособности ТК зависит от выбора 1-го узла функциональных модульных систем терминала, состоящих из N0 и ^ элементов и определяются вероятность безотказной работы системы, надежности базового терминального оборудования и функционального модуля абонентского терминала.
Для обеспечения высокой отказоустойчивости ТК предусматривается выполнение возложенных на узел многофункциональности модульных систем терминала, реализующие услуги телематических служб и телекоммуникационных процессов Fm={fl,f2, — ,fn}, которые улучшают возможности сохранения эффективности функционирования СТ. Коэффициент сохранения эффективности ТК, характеризующийся множеством работоспособных состояний системы при возникновении большего числа отказов модульных систем, определяется выражениям [6]:
Мт
Лэф= X Е1 • Р ( Р“ , Р М ), ^^^тах (2)
• _ N
где Е1- коэффициент относительной эффективности состояния системы при работоспособности 1-х модульных систем терминала и определяется следующим образом:
Nm N0-р
Е1 = тт • , , N0 < р , ^ < р (3)
^ Nm -Р
Выражение (2) и (3) определяет область целесообразности повышения отказоустойчивости модульных систем терминала и позволяет оценить эффективность показателя надежности системы с учетом коэффициента
N
сохранения эффективности ТК и суммарной загрузки системы ^р < 1 •
•_1
На рис.1. показано зависимость коэффициента сохранения эффективности терминальных комплексов от средней интенсивности отказов функциональных модульных систем Т1Эф=Е[р1, ХОТ] .
Рис.1. Зависимость коэффициента сохранения эффективности ТК от средней интенсивности отказов функциональных МС
Из рис.1. следует, что при возрастании средней интенсивности отказов функциональных модульных систем ^оТ> 0,5ч-1 уменьшается коэффициент сохранения эффективности ТК ^эф<0, 950, при суммарной загрузке системы
0,5<р1<0,7.
На основе проведенных экспериментальных исследований определено, что в ТК происходит три вида отказов: внезапный Авн, параметрический Ар и сбой Асб, приводящий к кратковременной утрате работоспосбности
модульных систем, которые характеризуют степень определения вероятность безотказной работы системы. При этом вероятность безотказной работы ТК с учетом средней интенсивности отказов АоТ и вероятность безотказной работы 1-х блоков МС терминала р1 определяется следующей зависимостью[2]:
1 йП N
РВБР (1,Аот > п) =—(~Т7 П(ХР; + ^), 1 = 1,-,ы (4)
П ■ •_1
=1-р± , р± =1-ехр(-А!.о^) , 1 = 1,...,Ы
Для полного описания вероятностной и статистической характеристик ТК необходимо создание модели функционирования системы, состоящей из ^ модульных систем. При создании модели учитывалось, что отказы и сбои различных модульных систем не зависимы друг от друга, а также из-за сложности системы учитывались три основных состояния. Анализ показывает, что схема функционирования элементов ТК состоит их трех состояний, которая представлена на рис.2. и может мгновенно переходить из состояния "норма" в состояние "отказ" с интенсивностью отказов А0, может переходить в состояние предотказовое Ап, а затем - в состояние отказа Апо (постепенные отказы).
Для повышения точности работы и надежностные характеристики ТК на основе модели функционирования элемента модульных систем целесообразно оценить вероятность безотказной работы системы с учетом выполнения телекоммуникационных процессов, который для каждого состояния определяется как:
г
Рвбр=Pz(Аo, Ап, Ав) П Р к (А0, Ап, Ав), z= М/Гр (5) к _1
гдеРz(•), Рк(0 - вероятность безотказной работы системы при выполнении телекоммуникационных процес-
сов, соответствующих предотказному и состоянию отказа, соответственно.
Последнее выражение определяет вероятность безотказной работы по выполнению функций модульных систем ТК с учетом интенсивности отказов и характеризует стратегию обслуживания, когда восстановление начинается с фиксации состояния отказа, норма и предотказного состояния.
К»
НОРМА Предотказнос СОСТОЯ]! не Сост 1Я1ІИЄ
отказа
Рис.2. Модель функционирования элемента ТК на базе функциональных модульных систем
Еще одним из путей для обеспечения высокой надежности ТК является использование систематического блока помехозащищенного кодирования типа циклических кодов Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ) и Рида-Соломона с целью минимизации вероятности сбоев Рсб. На основе критерия максимального правдоподобия вероятности сбоя, состояния элементов модульных систем определяются финальными вероятностями Р(0), Р(1) и
вероятностью переходов [6] при сбое («1^0», «0^1») Р(0/1), Р(1/0) и описывается в следующем виде: Рсб=[Р(1), Р(1/0), Р(0), Р(0/1)] (5)
Определено в [2,5], что основным методом повышения надежности ТК с использованием помехоустойчивого кодирования является увеличение минимального кодового расстояния d благодаря высокой исправляющей способности корректирующего кода. Тогда целевая функция для минимизации Рсб, с учетом кратности исправляемой Ьи и обнаруживаемой Ьо ошибки кода примет вид:
т1п[Рсб]=шах[Ьи^,п,Ь0], dmin>Lu+Lo+1 (6)
Из последнего следует, что задача оптимизации параметров корректирующих кодов обеспечивается минимизацией вероятности сбоя состояния модульных систем терминала.
Учитывая условия сбоя и параметры избыточного кода (п^,к), вероятность Рсб определится выражени-ем[4]:
п
Рб(«А +1)_ X СП• р‘-(1 -Р)п-, d>ь +1 <4 (7)
• _ ¿и +1
где г, к - число проверочных и информационных разрядов; Ьь- вес кодовых комбинаций.
При этом задача оптимизации надежностных характеристик заключается в том, что число блоков допустимых отказов не превосходит допустимые вероятности сбоев Рсб.доп. Учитывая важность задачи коррекции сбоев и оценки надежности модульных систем терминала, необходимо выполнение условия Рсб<Рсб.доп=10-5.
Для качественного анализа состояния системы найдены кодовые расстояния на основе использования методов циклических кодов (БЧХ и Рида-Соломона), определяющие условия наличие отказоустойчивости ТК:
М-1
d(Xi,Zj) =Дгдт1п^1^] = X(8)
к=0
гдеХ1к, Zjk— к-ое символы кодовых комбинаций XI, Zj, соответственно.
Легко можно показать, что вероятность безошибочной работы ТК за время ^ при условии действия неправильного перехода, вызванного сбоями элементов модульных систем, находится следующим образом [2]: а-1
2 ,
Рсб (*) _ X ск+г • Р‘ • (1 - Р)к+Г-' < Рсбо (9)
• _0
где Г-число проверочных элементов, составляющих ресурс помехозащищенности модульных систем терминала
п т
и находится из г <---------¿п •
1+¿о 0
Полученные аналитические выражения определяют вероятность сбоя модульных систем, оценивающую вероятность безошибочной работы ТК при обнаружении и исправлении ошибок по критерию максимума правдоподобия и отражает эффективность временной избыточности, приводящей к повышению надежности СТ. Для повышения надежности ТК использован избыточный циклический код при п=7, к=4, и получено следующее:Ьи=1, Ь0=2, г=3, dmiп=3, Ьь=3, Рсб=3,2-10-7<Рсб.доп=10-5, которые соответствуют оперативным нормам М.2100 на показатели надежности по рекомендации
МСЭ-Т (Международный Союз Электросвязи по Телекоммуникации).
Выполненные исследования и расчеты показали, что для повышения надежности ТК нужны следующие меры:
понижение жесткости режимов работы элементов, оптимизация схем сбоя, внезапных и постепенных отказов,
резервирование ненадежных узлов комплекса, разделение функций управления, применение новой элементной базы, снижение нагрузки на модульных систем, временного и структурного резервирования и повышение эффективности корректирующего кода и циклических кодов БЧХ и Рида-Соломона.
ЛИТЕРАТУРА
1.Богатырев В.А. Отказоустойчивость компьютерных систем при многофункциональности модулей // Информационных технологии. №12, 2002. - с.2 - 7.
2. Ибрагимов Б.Г. Многофункциональные терминальные комплексы для неоднородного трафика. Баку, Элм, 2000, 134 с.
3.Телекоммуникационные системы и сети. Томі - Современные технологии /Под ред. В.П. Шувалова. -Москва.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 647с.
4.Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Пер. с англ. - М.
2003. -1104 с.
5. Диллон Б., Синчх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. Москва, Мир. 1984. -318 с.
6.Ибрагимов Б.Г. Разработка методов повышения отказоустойчивости терминальных комплексов систем телекоммуникаций // Труды Международного Симпозиума «Надежность и Качество». В 2-х томах. Том 1./ Под ред. проф. Н.К. Юркова. - Пенза. Изд-во.Пенз. Гос.Ун- та, 2006. - с.29-30.
