CC BY
64
Ибрагимов Б.Г.
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ТЕРМИНАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
Развитие сетей телекоммуникации общего пользования (СТ ОП), образованных терминалами многофункционального и интеллектуального типа (МФ и ИТ), базирующихся на новых информационных и компьютерных технологиях требует создания отказоустойчивых и высоконадежных терминальных комплексов систем телекоммуникации (ТКСТ) на основе модульных систем (МС). С целью разрешения этой проблемы в данном разделе рассматриваются методы и средства повышения отказоустойчивости системы и исследуется их влияние на качество функционирования ТК СТ с поывшенной пропускной способности, работающие в реальном масштабе времени для передачи и приема информации неоднородного трафика [1,2]. Учитывая постановку
задачи предположим, что ТК состоит из ^х функциональных МС (1= 1,т ) и выполняет телекоммуникационных процессов (ТП) ^={^^2, — ,^}. В этом случае оптимизационная задача сводится к получению максимального значения показателя эффективности функционирования ТС, т.е необходимо найти
тахЕэф {[А.ох (ЛЬ¥шЛэф>Стах ],І = 1 т} ,
при
^С1а < С,, І = 1
(1)
где Лэф- коэффициент сохранения эффективности ТКСТ, характеризующийся разной эффективностью выполнения ТП и определяется показателем надежности и достоверности функционирования МС терминалов
^эф ^Ру (^, ЕІ, РБбр^).
С
допустимое значение экономических затрат при
зедении избыточного и
структурного резервирования; Еі-коэффициент относительной эффективности состояния СТ при работоспособности і-х МС ТК; Ру ^)-условная вероятность сохранения работоспособности СТ при наличии к отказов МС терминала, характеризующихся достоверностью функционирования ТК.
Из выражения (1) следует, что предложенная задача характеризует получение максимального значения отказоустойчивости ТК при минимально возможных экономических затратах.
Анализ работы СТ показал, что для повышения отказоустойчивости многофункциональных ТК необходимо улучшить: надежность и достоверность функционирования системы, состоящей из п типов функциональных МС, каждый из которых Гр-кратно резервируется с ограниченными сложностями, причем в каждом узле может находится М модулей.
На рис.1 представлена структура физического описания взаимосвязи показателей отказоустойчивости ТК. Из структуры следует, что отказоустойчивость ТК определяется характеристиками надежности и достоверности функционирования системы, и параметрами методов оптимального резервирования следующими условиями и ограничениями: коэффициент эффективного использования функциональных МС р<ртах, Ыо<Ы<Ыт,
Лэф>Л
эф.доп,
Са<Са
( где N0, ^-минимальное и максимальное число элементов, необходимое для
функционирования ТК).
Результаты проведенных исследований показали [2,3] ве ТК обеспечивается, повышением
что повышение отказоустойчивости ТС на осно-
Рис.1. Структура физического описания взаимосвязи показателей отказоустойчивости ТК
характеристик надежности и достоверности функционирования системы, которая описывается следующим выражением:
W[Poc(t)]=F[Poy(t,M), Pн(t), л эф, D(t)] (2)
где Poy ^,М), Pн(t), D(t) - функции, учитывающие характерные особенности СТ при реализации отказоустойчивости ТК, с учетом характеристики надежности и достоверности функционирования систем.
Отказоустойчивость системы - это такое свойство архитектуры телекоммуникационных систем (ТС), реализованное на основе ТК на базе цифровых МС, которое позволяет логической системе продолжить функционирование и в том случае, когда в реальной системе, являющейся ее носителем, возникают разнообразные отказы компонентов МС [3].
Отказоустойчивость ТК СТ зависит от множества факторов и может быть представлена ввиде обобщенной функции:
= Щ/)] (3)
где Рб (^ - вероятность безотказного состояния системы; Ру (^ - функция, учитывающая уровень от-
казоустойчивости системы; D(t) - достоверность функционирования ТО за время ^ ^-число работоспособных состояний ТК.
Для исследования и анализа отказоустойчивости терминальных комплексов и их надежностных характеристик использовались екоторые методы: логико-вероятностные, параметрические, программные и вероятностные методы обеспечения надежности. Среди таких методов важное место занимает вероятностный метод исследования надежностных характеристик ТК. Последний метод основан на теории вероятности и теории марковских случайных процессов, описывающих динамику процессов "отказ - восстановление" при общих допущениях независимости отказов МС и экспоненциальном законе распределения времени между отказом и восстановлением.
В [2,4] подчеркнуто, что основными направлениями в области отказоустойчивости ТКСТ, использующих временную и структурную избыточность для повышения их безотказности и достоверности функционирования, является применение корректирующих кодов и мажоритарных методов.
В зависимости от алгоритмов нормального функционирования ТК, работающих по мажоритарному принципу, который обладает определенной ВБР Рб(^, можно построить обобщенную марковскую модель, позволяющую определить общие тенденции роста надежностных характеристик отказоустой- чивых ТКСТ [4] . На рис.2 представлена обобщенная марковская модель для определения характеристик отказоустойчивости ТК, описывающие динамику работоспобности системы с восстановлением трафика после отказов.
В системе состояние ТК отображается матрицей
Si
для выполнения ТП ^={^^2, — ,^
при
=1, если j-й модуль готов выполнить fі, в противном случае Si
= 0.
т
пхЫ
S
Ро(0
Эо
Рис.2. Обобщенная марковская модель для определения характеристик отказоустойчивости ТК
В частном случае, из модели следует, что каждый ^й функциональный МС терминала может находиться
в Si состояниях: ^ = 0,т — 1 . Так как в данной модели рассматриваются два состояния системы Sl и So,
где Sl - модель, отражающая все работоспособные состояния реальной отказоустойчивости ТК, So - состояние неработоспособное, в которых ТК ремонтируется и с интенсивностью ц восстонавливается. На основе модели число всевозможных работоспособных состояний ТК определяется как:
^=п!С N , п (3)
^т
Допустим, что переход из So в состояние Sl прямо и обратно возможен. Показатель отказоустойчивости ТК в зависимости от состояния системы определяется выражением:
т—1 _____
Рос (Х)=2Рк (-М)*^5^), 5 = 1,т — 1 (4)
5=1
где Р (5,1) - вероятность того, что ТК находится в состоянии 5 = ^,525т} , которое учитывает надежностные характеристики системы; D(s,t)-вероятность того, что ТК находится в состоянии s, которое учитывает достоверность функционирования системы. Вероятность Рн^,^, определяющая надежностные характеристики ТК на основе модели, характеризует S состояние за время t и с учетом выражения (1) и (2), предполагая, что все МС функционируют независимо, выражается следующим образом:
т ___
Рн (5>' ) = П (^ 5 X 1 = 1т (6)
I =1
где Рл у (/, 5) - вероятность состояния Si для i-го элемента МС в t момент времени.
С учетом рис.2 процесс, показывающий состояние системы на базе модели отказоустойчивости ТК, описывается следующим уравнением, определяющим вероятность безотказного состояния системы [1]:
Рб(0 = Р(50) * Р(51/50) + Р(51) * Р(50 151) (6)
При этом на основании обобщенной марковской модели определяется состояние Sl следующим образом: Р1^)=1-Ро^) , Р(Sl)=1-Р(so) (7)
Здесь важным параметром является ЩА,) - коэффициент целесообраз-ности, учитывающий интенсивность отказов с 1-Р^о) вероятностью, который выражается следующим образом:
Щ^)=Ш- Р(so)]*M, М>1
где М - коэффициент, учитывающий аппаратное резервирование.
Для этой системы среднее время наработки на отказ Тср вычисляется выражением:
М—
тср=^------(8)
Х\_1 — Р (50 )]
Для инженерных расчетов на основе модели отказоустойчивости ТК, имеющей структуру, представленную на рис.2, с учетом надежности абонентских и сетевых терминальных оборудовании (ТО) Рн и функциональных МС терминала Рп , вероятность работоспособности системы выражается следующим образом:
Рs (^^^тахИ^ Рн Р П , п>2 (9)
Анализ показывает, что исследуемая модель характеризует также эффективность применения введения резерва при построении отказоустойчивых управляющих МС, однако значения ограничиваются не только ненадежностью систем управления (СУ) терминала, но и эффективностью самодиагностики МС.
С целью улучшения надежностных характеристик системы при построении ТК учитывалась двухуровневая модель МС терминала, которая совмещает достоинства марковских моделей при описании процесса "отказ - восстановление" на уровне оптимального распределения терминальных и сетевых ресурсов. Для марковской модели решение задачи позволяет получить выражение вероятности безотказной работы ТК при наличии к отказов для каждого элемента МС в виде [2,3]:
Кт
Рвбр= (к)*СкпКтрпКт—к(1 — Р)к , Кк<К„ (Ю)
к=1
где Ру (к)-условная вероятность сохранения работоспособности СТ при наличии к отказов МС терминала, характеризующей достоверность функционирования ТК; Кт-максимальное число отказов элементов МС терминала, при котором возможно сохранение работоспособности ТК
В результате расчета отказоустойчивости ТК на основе приведенных аналитических выражений получены следующие числовые значения: ^=2^5, Pн=(0,88^0,95), ^ах> (5^6), п=2^5, Рм=(0,90^0,96) и
Рз=(1,434- 9,47) ^^^.доп, к =4, Ру(к)^, 995, Кт=2 0, Рвбр=0, 955, которые соответствуют нормам ГОСТ 27.301-95 (Надежность в технике).
Однако, из последнего видно, что исследуемая модель не полностью отражает структурную надежность и недостаточно приспособлена к описанию и оценке избыточных особенностей отказоустойчивости ТК. Следовательно, применение метода сочетания корректирующих кодов и мажоритарного метода учитывают структурные и временные избыточности, сложности комплектующих изделий и логических структур, а также использование реконфигурации алгоритмов функционирования СУ, которые позволяют более максимально обеспечить возможную ВБР системы за время ^ при минималь- ных затратах на резервные элементы МС и описывается в следующем виде:
п п
Рвбр (0 = ПР(т)^ таХ’ Са = 2(С * т + Ст ) < Сдоп (11)
/=1 I=1
где Сдоп - допустимое значение стоимости МС; mi - число резервных элементов на ^м МС; С - стоимость одного элемента ^го МС; Сн.± - начальная стоимость i-го МС терминала.
Анализ показал, что вышеуказанные методы повышения надежности ТК могут быть использованы в зависимости от степени требования к отказоустойчивости системы. И выявлено, что основным фактором, влияющим на снижение отказоустойчивости ТК являются ошибки и отказы МС, которые вызываются сбоями логических элементов.
Таким образом, более оптимальными и более приемлемыми методами для повышения отказоустойчивости многофункциональных ТК, являются методы сочетания можаритарного и корректирующего методов, способствующих улучшению требуемого уровня их достоверности функционирования и надежностных характеристик ТК СТ.
ЛИТЕРАТУРА
1.Телекоммуникационные системы и сети. Том1. - Современные технологии /Под ред. В.П. Шувалова. -Москва.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 647с.
2. Ибрагимов Б.Г. Многофункциональные терминальные комплексы для об- служивания неоднородного трафика .Электросвязь, 2001, № 5, с.32-35.
3.Ибрагимов Б.Г. Исследование методов улучшения отказоустойчивости терминальных комплексов систем телекоммуникаций. Доклады Международного Симпозиума «Надежность и качества» посвященного 275-летию Российской Академии Наук, Пенза, 1999, с.95-98.
4. Ибрагимов Б.Г. Эффективность терминальных комплексов систем телекоммуникаций на базе современных технологий. Труды конферен. «Телекоммуникационные и вычислительные системы», Москва, !999, с. 17!-!7 4.
