Исследование и разработка алгоритмов экспертного анализа параметров качества цифровых сетей

В период последних десятилетий в России наблюдается широкое внедрение цифровых систем связи. Построение современных сетей неразрывно связано с построением систем эксплуатации. Особенностью современных цифровых систем связи является «бинарная» логика их работы, основанная на передачи любой информации в виде бинарных символов (0 или 1).

Пронизанные «бинарной» логикой, цифровые системы связи демонстрируют пороговый эффект ухудшения своей работы, когда система связи деградирует по многим показателям одновременно и непредсказуемо для оператора. Аналоговая система проявляется эффект постепенного ухудшения параметров, например, постепенное уменьшения отношения сигнал/шум, так что полезный сигнал в конце концов оказывается подавленным шумами. Цифровая система связи будет до последнего поддерживать приемлемый уровень качества передачи сигналов. В случае, если по каким-либо причинам это оказывается невозможным, система не обеспечивает соединения вообще. Таким образом, появляется «пороговый эффект» ухудшения качества, когда любая неисправность приводит к серьезным нарушениям и возникает неожиданно для оператора.

По причине этой особенности цифровой технологии в мировой практике особое значение уделяется целому ряду превентивных мер, направленных на предотвращение возможных неисправностей. Особое внимание отводится принципам построения систем эксплуатации, от классической эксплуатации телефонной сети общего пользования до современных систем контроля качества трафика мультисервисных сетей (Assurance Systems) национального и транснационального масштаба.

Проблема построения эффективной системы эксплуатации неразрывно связана с задачей нормирования и контроля параметров качества сети оператором. Иерархия приоритетов здесь построена следующим образом: системы связи — качество — эксплуатация как деятельность, направленная на улучшение параметров качества.

Особенностью развития цифровых систем связи в России в последние десять лет является перекос в построении систем эксплуатации, так как проблема качества в это время была отнесена к низкоприоритетным. Как следствие, построение систем эксплуатации шло по остаточному признаку, а деятельность и структура систем эксплуатации строились в соответствии с нормами 30−50-х гг., что в значительной мере определило отставание отечественных систем эксплуатации от мирового уровня. Например, официальная статистика по уровню оснащенности предприятий измерительными средствами дает данные от 1,5 до 3% от необходимых количеств. Из этого следует важный вывод: системы эксплуатации для большинства государственных операторов должны строиться фактически заново с «чистого листа». Вопросы контроля качества также фактически не решались в отрасли до последнего времени, когда была разработана программа сертификации качества предоставления услуг на основе требований стандарта IS09000/9001. В соответствии с предложенными в этом стандарте методиками, контроль качества в системах связи выполняется маркетингово-социологическими методами, не связанными напрямую с технической специализацией отрасли связь. В рамках пр01раммы по контролю качества услуг в этом случае в административной структуре предприятий начали создаваться отделы контроля качества, основным направлением которых стала деятельность по контролю нетехническими методами (анкетирование, социологические опросы, маркетинговые исследование, разработка альтернативных планов тарификации и пр.). В то же время методы точного контроля параметров качества оказались исключенными из рассмотрения и широкого обсуждения связного сообщества.

В этой ситуации целесообразно ориентироваться сразу на решение не только вопросов построения эффективных систем эксплуатации, но и вопросов контроля качества, причем в основу самом системы эксплуатации необходимо положить принцип приоритетности задач контроля качества.

Положив в основу рассмотрения эффективности построения систем эксплуатации принцип первоприоритетного контроля качества, в предлагаемой работе были сделаны исследования по современным методам экспертного анализа сетей и измерению параметров качества, а также применимости к области телекоммуникаций математического аппарата классической теории контроля качества, изначально ориентированной на промышленное производство.

Основными методами технического контроля качества в телекоммуникациях являются:

• встроенные средства диагностики современных цифровых устройств связи;

• независимые средства контроля (измерительные средства и средства контроля индикаторного типа);

• территориально-распределенные измерительные комплексы.

Из перечисленных методов наибольшее значение в настоящее время имеют территориально-распределенные измерительные комплексы (ТРИК), поскольку они являются новым и сравнительно с остальными методами эффективным инструментом контроля параметров качества в системах связи.

Территориально-распределенные измерительные комплексы (ТРИК) получили распространение наравне с измерительными приборами в мировой технологии эксплуатации систем связи в период последних десяти лет. ТРИК являются следствием интеграционных процессов в технологии измерений и отражают влияние процессов создания систем глобального управления деятельностью человека на сферу отрасли связь. Несмотря на привлекательность ТРИК в качестве инструмента эксплуатации, до настоящего времени не было проведено серьезного анализа этих объектов в части использования для эксплуатации систем связи.

Суть ТРИК заключается в том, что на сети устанавливается большое количество элементарных приборов (ЭП), функциональность каждого из которых значительно ниже функциональности специализированных приборов. Данные от ЭП передаются в единый центр, где оперативно и статистически обрабатываются с использованием различных алгоритмов экспертного анализа (АЭА).

С точки зрения метрологии, теории эксплуатации средств связи и смежных с ними дисциплин ТРИКи представляют собой уникальное, новое явление в области современных средств измерений. Традиционные методы контроля и измерения параметров качества в сетях связи были основаны на использовании традиционных средств измерений (приборов) с заданной методикой и локальной точкой подключения. ТРИК обеспечивают измерения параметров целой системы измерительных средств, объединенных в сеть сбора и обработки информации, т. е. синтез между классическими методиками эксплуатации, современными информационными системами, базами данных и системами управления.

В части практических методик ТРИКи дают следующие преимущества:

• одновременность измерений в нескольких точках на сети;

• долговременный анализ параметров;

• возможность реализации режима измерений с накоплением данных и с анализом распределения параметров, как по времени, так и в пространстве;

• широкое применение методов статистического анализа для получения информации о сети в целом и об отдельных ее подсистемах.

В части технологии эксплуатации ТРИКи дают следующие преимущества:

• обеспечивают формирование политики в области контроля качества техническими средствами в противовес используемым в настоящее время методам социологического анализа (анкетирование потребителей, маркетинговый анализ эффективности внедрения услуг и пр.);

• дают возможность эффективного контроля инвестиционной и инновационной политики;

• обеспечивают решение задачи сравнения сетей разного состава и топологии;

• уменьшают количество высококвалифицированного персонала;

• дают новое качество эксплуатации.

Первые применения ТРИК в мировой практике показали высокую их эффективность и рентабельность. Применения ТРИК в России были стимулированы деятельностью холдинга компаний, возглавляемого автором. До последнего времени общая теория ТРИК, принципы их функционирования не обсуждались в отечественной научно-технической литературе. Это было обусловлено во многом высокой стоимостью проектов по внедрению ТРИК и, как следствие, их малой распространенностью.

Для решения проблем связи в России ТРИКи представляют собой чрезвычайно важное направление по следующим причинам:

1. В настоящее время только технология ТРИК может позволить сформировать эффективную систему эксплуатации сетей операторов в обстановке полной деквалификации служб эксплуатации.

2. ТРИК позволяет решить проблему контроля качества, эффективного планирования, развития и инвестиционной деятельности предприятий связи.

3. В ситуации России, где по официальным данным оснащенность предприятий измерительной техникой составляет 1,5−3% от необходимых потребностей, ТРИК может внедряться вне конкурентных технических решений на основе отдельных приборов.

4. Для развития отечественной инженерно-технической школы ТРИК представляет собой важное направление, которое может позволить отечественной промышленности средств связи опередить по инновациям развитые западные страны.

Таким образом, актуальность рассмотрения проблемы контроля качества именно в контексте технологии ТРИК обусловлена тем, что в, настоящее время Россия готова использовать эту технологию, причем создавать свои современные технические решения на ее основе. В то же время даже основные алгоритмы функционирования ТРИК (за исключением заимствованных из мирового опыта и стандартизационных документов ITU-T) не разрабатывались и не рассматривались.

Применительно к проблеме контроля качества реализованные принципы одновременности измерений и централизованного контроля делают ТРИК основным инструментом эксплуатации. В настоящее время только эта технология может позволить сформировать эффективную систему эксплуатации сетей операторов в обстановке полной деквалификации служб эксплуатации.

Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена тем, что требование построения эффективных систем эксплуатации и решение вопроса централизованного контроля качества приводят к необходимости всестороннего исследования методов технического контроля качества и разработке алгоритмов экспертного анализа В таком исследовании целесообразно рассматривать в качестве наиболее мощного инструмента территориальнораспределенные измерительные комплексы (ТРИК). Также существенно, что в настоящее время Россия готова использовать технологию распределенных измерительных комплексов, причем создавать свои современные технические решения на основе этой технологии, выходящие на уровень мировых разработок.

Целью диссертационной работы является исследование методов и разработка алгоритмов экспертного анализа параметров качества первичной и вторичной сетей связи с использованием территориально-распределенных измерительных комплексов в качестве основного инструмента контроля и формирование устойчивых алгоритмов сбора и обработки данных в таких комплексах и принципов их эффективного функционирования для решения задач контроля качества. Для этого было сформулировано две задачи исследования. Стратегической и теоретической задачей исследования является разработка принципов использования математического аппарата теории контроля качества применительно к телекоммуникациям, поскольку измерительные комплексы обеспечивают теоретическую возможность такого применения. Практической задачей исследования являлась разработка алгоритмов экспертного анализа параметров качества с помощью измерительных комплексов с точки зрения выявления процессов ухудшения параметров качества в системе связи.

Научная новизна диссертационной работы основана на разработанных методиках экспертного анализа параметров качества системы связи с использованием территориально-распределенных измерительных комплексов и алгоритмах функционирования этих комплексов в системе эксплуатации оператора связи.

Подробнее, в работе были сделаны следующие новые исследования и разработки:

1. Разработана методика экспертного анализа параметров качества первичной сети, основанная на обнаружении периодических процессов ухудшения качества и разложения данных по параметру битовых ошибок (BER) по составляющим случайного и системного процессов возникновения ошибок в системе.

2. Для оптимизации загрузки информационной составляющей измерительного комплекса разработан метод представления данных в комплексах для первичной сети.

3. Для анализа качества телефонной сети общего пользования рассмотрены принципы функционирования территориально-измерительных комплексов интрузивного типа. Разработан алгоритм оптимизации тестовой нагрузки от измерительного комплекса на сеть на основе модели поведения интенсивности потока вызовов телефонной сети.

4. В работе исследовались принципы построения единой системы контроля качества первичной и вторичной сети на основе применения математического аппарата теории контроля качества. Отдельно рассмотрены вопросы выбора генеральной совокупности объектов контроля, разработаны методы сплошного и выборочного контроля применительно к телекоммуникациям.

Все результаты получены в диссертационной работе автором лично. Их практическая ценность была подтверждена рядом внедрений и использованием разработанных алгоритмов в ТРИК отечественного производства.

3.14. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ГЛАВЫ.

1. При исследовании ТРИК вторичной сети была показана общая классификация методов контроля качества телефонных сетей на основе рассмотрения пассивных (на основе мониторинга сигнализации) и активных методов (на основе тестовых вызовов). В обоих случаях показаны принципы использования ТРИК.

2. Было показано, что использование ТРИК позволяет в полной мере применить к задаче контроля качества в сетях связи математический аппарат теории контроля качества. В качестве генеральной совокупности в этом случае выступают вызовы (или соединения). Использование ТРИК и указанного математического аппарата позволяет создать единую систему контроля качества во вторичной сети телефонии, устраняя методологический разрыв между интрузивными и неинтрузивными методами, существующий в настоящее время.

Для применения интрузивных методов были рассмотрены два варианта построения системы: на основе фиксированного и адаптивного сценария обзвона абонентов. Были приведены оценки точности измерения параметров качества в каждом методе и рассмотрен вопрос об уровне тестовой нагрузки на сеть. Была выведена параметрическая зависимость между тестовым трафиком интрузивной системы и трафиком в сети при условии постоянной точности оценки параметров качества. На основании модели потока вызовов большой сети была рассмотрена эффективность использования разных сценариев на основе простой модели тестирования Са11-центра. На этой модели было показано, что адаптивный сценарий не несет никаких преимуществ в случае однородной сети. В случае многомодальной по распределению трафика сети адаптивный сценарий дает большие преимущества, позволяя перераспределяя тестовую нагрузку и тем самым уменьшая ее уровень в сети при заданном параметре точности оценки. Применимость того или иного метода зависит от конкретных параметров сети, ее функциональности, топологии и пр. Разработанные алгоритмы вошли в новое ТЗ на доработки системы «Симфония» версии 2.0 и подсистемы контроля качества телефонной сети VisioNet.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В Заключении перечислим основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. В основу построения современной системы эксплуатации должен быть положен принцип первичной приоритетности решения задачи контроля качества. Объективный анализ современного состояния отечественных систем эксплуатации показывает, что в настоящее время службы эксплуатации большинства предприятий России находятся в состоянии деквалификации, деморализации и крайне низкой технической оснащенности, так что имеет смысл говорить о необходимости построения систем эксплуатации «с нуля». Принципы нормирования, измерения и контроля качества систем связи в России до конца не проработаны, в ряде случаев имеют методологические разрывы или построены на нетехнических средствах. Единой политики в области измерения качества у отечественных операторов нет.

2. Системы эксплуатации могут быть построены на принципах централизованной или распределенной системы эксплуатации. В сложившейся в России ситуации только централизованные системы эксплуатации могут обеспечить решение своих задач. Особенно эффективным методом построения современных систем эксплуатации является использование территориально-распределенных измерительных комплексов (ТРИК), которое представляют собой универсальное решение всех перечисленных выше проблем. Реализованные принципы централизации обработки информации и одновременности измерений в этом случае обеспечивают формирование технически корректной единой системы контроля качества. Принцип независимости от оборудования оператора значительно повышает оперативность развертывания ТРИК и повышает его результативность. Унификация методик нормирования, измерения и контроля параметров качества, связанная с использованием методов распределенных измерений, основана на единстве математического аппарата, в основе которого должна быть положена математическая теория контроля качества. Все вышеизложенное делает ТРИК важным объектом исследования в контексте рассмотрения вопросов контроля параметров качества систем связи, что и определило направленность диссертационной работы.

3. Использование территориально-распределенных измерительных комплексов дает уникальную возможность объективно применить к области телекоммуникаций математический аппарат теории контроля качества. Применение единого математического аппарата позволяет создать единую технически-ориентированную систему контроля качества в телекоммуникациях, устранить методические разрывы между различными методами контроля качества в первичной сети и вторичной сети телефонной связи.

4. Рассмотренные в диссертационной работе методы контроля параметров цифровой первичной сети имеют стратегическую ценность и позволяют реализовать уникальные возможности анализа первичной сети в целом, с учетом связи различных подсистем передачи в единое целое. С точки зрения методик анализа параметров качества, такой подход позволяет перейти от контроля отдельных каналов к анализу первичной сети как сетевому элементу современной системы электросвязи. Тем самым достигается новое качество эксплуатации, обеспечивается идентификация процессов ухудшения качества, затрагивающих не только один участок первичной сети, но и всю первичную сеть.

Рассмотренный метод контроля нашел практическую реализацию в форме алгоритма экспертного анализа первичной сети. В основу алгоритма был положен принцип разделения данных о параметрах ошибок на регулярную и случайную составляющие. В работе было показано, что регулярная составляющая всегда может быть устранена усилиями системы эксплуатации, тем самым применение разработанного алгоритма может эффективно уменьшать параметр ошибки. В зависимости от степени соотношения регулярной и случайной компонент параметра ошибки, разработанный метод экспертного анализа позволяет в целом уменьшать параметр ошибки в цифровых сетях от нескольких до нескольких десятков процентов, что было показано в ходе применения алгоритма на сети ЮТК.

5. Рассмотрение методов контроля качества во вторичной сети с использованием ТРИК позволяет устранить методический разрыв между интрузивными методами контроля и методами сплошного контроля, взаимно дополнить их и обеспечить формирование единой в методическом смысле системы контроля качества. Разработанный метод эффективного контроля параметров качества путем формирования адаптивного сценария интрузивного тестирования системы телефонной связи позволяет добиться постоянной точности оценки параметров качества в разное время суток, обеспечивая одновременно автоматизацию измерений и круглосуточный контроль качества. Применение этого метода в рамках всей телефонной сети позволяет значительно (в пределах нескольких процентов ресурса) разгрузить ресурс сети за счет уменьшения уровня тестовой нагрузки в ЧНН и перераспределения ее в рамках всей сети. При этой точность измерения параметров качества останется неизменной за счет применения статистических методов анализа с накоплением.

6. Разработанный в диссертации новый метод передачи данных с временными метками позволяет расширить емкость ТРИК первичной сети на несколько порядков, решая тем самым вопрос о расширении охвата системы мониторинга до уровня национальных и областных систем контроля качества. Реализация методики передачи данных с временными метками в форме алгоритма позволяет расширить емкость измерительного комплекса без каких-либо изменений в параметрах его функционирования. Анализ устойчивости алгоритма показывает, что он может быть эффективно использован в любых разработках измерительных комплексов без каких-либо ограничений на стабильность синхронизации по системе точного времени.

7. Проведенные исследования в области методов экспертного анализа параметров качества позволяют значительно оптимизировать функционирование больших измерительных систем. Построение системы эксплуатации на основе распределенных измерительных комплексов представляет собой ноу-хау, не реализованное в отечественной и мировой практике. Учитывая, что отечественное производство имеет слабые стороны в области аппаратных средств и сильные — в области программного обеспечения, рассмотренные методы организации эксплуатации соответствуют конъюнктуре отечественного производства. Следовательно, направления практических разработок, задаваемые исследованиями диссертации, могут обеспечить значительное превосходство российской инженерной школы по сравнению с импортными разработками.

8. Проведенные исследования в области принципов функционирования ТРИК позволяют значительно оптимизировать работу больших измерительных систем. Направления работы, задаваемые исследованиями диссертации, имеют практическую ценность в части разработки уникальных измерительных и контрольных решений.

9. Все разработанные методы и формализации их в виде алгоритмов внедрены в виде отдельных модулей, подсистем и алгоритмов функционирования существующих в отечественной практике ТРИК. Методы экспертной оценки легли в основу разработки единой системы автоматизированной эксплуатации VisioNet.

СЛОВАРЬ СОКРАЩЕНИЙ.

АЭА. Алгоритм экспертного анализа.

ВОЛС. Волоконно-оптические линии связи.

ГХА. Гистограмм-хронограммный анализ.

КПВ. Контроль посылки вызова.

ОКС7. Система общеканальной сигнализации № 7.

ПСП. Псевдослучайная последовательность.

ТРИК. Территориально-распределенный измерительный комплекс.

ТфОП. Телефонная сеть общего пользования.

ФАПЧ. Фазовая автоподстройка частоты.

ЧНН. Часы наибольшей нагрузки.

ЭМИ. Электромагнитное излучение.

ЭП. Элементарный прибор

ASR. Answer Seizure Ratio. Коэффициент успешных соединений, процент соединений, оканчивающихся подтверждением о выделении соответствующего ресурса. Фиксируется по наличию сообщения АСМ в ответ на запрос о предоставлении услуги (IAM).

ATM. Asynchronous Transfer Mode. Асинхронный режим переноса BER. Bit Error Rate. Параметр битовой ошибки CDR. Call Data Record. Запись о вызове.

IE. Information Element. Информационный элемент сообщения. NER. Network Effectiveness Ratio. Коэффициент эффективности сети, процент всех соединений, в результате которых вызов оканчивается элементом Cause нормального класса NTP. Network Timing Protocol. Протокол временной синхронизации PDH. Plesiochronous Digital Hierarchy. Плезиохронная цифровая иерархия QoS. Quality of service. Контроль качества услуг SDH. Synchronous Digital Hierarchy. Синхронная цифровая иерархия TMN. Telecommunication Management Network. Глобальная система управления связью.