Структуризація та оцінювання готовності резервованого обладнання системи наземного радіодоступу utran Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

РАДИОТЕХНИКА^^,

УДК621.391(045)

СТРУКТУРИЗАЦ1Я ТА ОЦ1НЮВАННЯ ГОТОВНОСТ1 РЕЗЕРВОВАНОГО ОБЛАДНАННЯ СИСТЕМИ НАЗЕМНОГО РАД1ОДОСТУПУ UTRAN

ТЕРЕНТЬСВА I. с._

Проводиться класифжащя обладнання системи радюдо-ступу UTRAN з урахуванням структури резервування. Анатзуеться середовище резервування та взаемодiя кон-структивних модулей для базових станцш, контролера радiомережi й модулей програмного забезпечення. Роз-глядаеться резервування на рiвнi макроелементiв системи. Показуеться вплив резервування на готовшсть теле-комунiкацiйного обладнання. Класифжащя та структуру-вання проводиться на прикладi обладнання компанп Huawei.

Ключовi слова: система радiодоступу Ш^А^ телеко-мушкацп, базова станщя, контролер мереж^ резервування, коефiцiент готовностi.

1. Вступ

У процес глобально! шформатизащ! важливу роль вiдiграють телекомунiкацiйнi системи (ТКС), як зазнали стрiмкого розвитку в останнi десятилiття. Зпдно з сьогоденними прогнозами кшьшсть бездротових пристро!в буде складати 7 трильйошв на 7 мiльярдiв чоловiк до 2017-2020 рошв. Слiд зазначити, що широ-космуговi бездротовi мережi передачi шформащ! ста-ють одним з основних напрямшв розвитку телекому-шкацшно! iндустрil. А для кра!н, у яких велика терито-рiя збiгаеться з невеликою щiльнiстю населення, без-дротовi мережi мають особливе значения, бо дозволя-ють економiчно та оперативно створювати телекому-шкащйну iнфр аструктуру на цих територiях [1].

Вiд якост надаваних послуг i надiйностi телекомушка-цiйних систем залежить виконання велико! кшькосп задач в рiзних сферах сустльства. Тому до готовности ТКС висуваються жорстк вимоги. Але проблемою на сьогодшшнш день е ввдсутнють систем, як гарантують 100% вiдмовостiйкiсть.

Отже, розроблення та оптимiзацiя технологш резервування е важливою проблемою, виршення яко! дозволить забезпечити заданi рiвнi готовностi й доступност сучасних ТКС.

Питанням розроблення моделей для ощнювання готовности та надiйностi цифрових систем присвячено

фундаментальнi пращ [1, 2]. Проте в них розглянуто тшьки класичнi види структур резервування та не врахована велика кшьшсть структур збитковост теле-комунiкацiйного обладнання (ТКО). В роботах [3, 4] представлено моделi ощнювання надiйностi i готов-ност ТКС третього поколiння, але також не до^дже-но рiзноманiтнi структури резервування ТКО та розглянуто тшьки марковськ моделi процесу експлуа-тацц.

З огляду на зазначене вище, метою до^дження е проведення структуризацi! технологiй резервування ТКО системи наземного радюдоступу UTRAN та оц-iнювання готовност конструктивних блоков (КБ) при резервуваннт

2. Постановка задачi дослiдження

Для забезпечення вимог до готовности ТКС застосо-вуються два основних напрямки при побудовi вщмо-воспйких систем.

Перший споаб - використання тшьки вiдмовостiйких компонентов. При реалiзацi! цього напряму кожен компонент системи може продовжувати свое функц-iонування, навiть якщо один або дек1лька тдкомпо-ненпв системи виходять з ладу.

Другий спосiб - це розробка метода, що гарантують побудову вщмовоспйко! системи з компоненпв, якi не е вщмовостшкими. В таких системах ввдмо-воспйшсть реалiзована за рахунок технологи резервування та застосування спещального програмного забезпечення, елементних взаемозв'язшв i алгоритмiв функцiонування. Саме цей споиб використовуеться для дослiдження.

Для забезпечення необхвдного рiвня готовност за допомогою резервування слiд розглянути архитектуру ТКС, провести аналiз ТКО та можливих варiантiв технологiй резервування. Далi необхiдно оцiнити ко-ефiцiент готовност системи при застосуваннi рiзних видiв резервування i обрати оптимальний варiант за встановленим критерiем.

3. Архггектура UMTS

Унiверсальна служба мобiльного зв'язку UMTS (Universal Mobile Telecommunications Services) е евро-пейським стандартом третього поколiння WCDMA. Архитектур а мережi UMTS (рис. 1) тдроздшяеться на двi складовi частини: мережа радюдоступу та базова мережа.

З функщонально! точки зору елементи мережi радюдоступу RAN (Radio Access Network, наземна UMTS RAN - UTRAN) забезпечують широкосмуговий рада-одоступ. Базова мережа CN (Core Network) здшснюе перемикання та маршрутизацiю виклишв, а також тдключення даних до зовтшшх мереж. Крiм того, до складу мережi входить обладнання користувачiв (UE) [6-8].

Рис. 1. Архитектура мережi UMTS

Об'ектами дослiдження е 6a30Bi станцп Node B та контролери радiодоступу RNC, як е структурными елементами UTRAN.

4. Структуризацiя видiв резервування обладнання UTRAN

Архггектурш та техичш ршення, спрямован на забез-печення надшносп функцiонування обладнання UTRAN, полягають в наступному:

1. Застосування модульного принципу побудови елеменпв апаратного й програмного забезпечення обладнання RNC, що сприяе використанню рiзних схем експлуатацшного резервування елеменпв цього об-ладнання.

2. Забезпечення пiдтримки таких схем резервування обладнання:

- навантажене дублювання (2N), коли кожен актив-ний (основний) елемент обладнання мае вдентичний запасний елемент, який перебувае в стан гарячого резерву (якщо кшькють активних елеменпв дорiвнюе

Noch , то повинна юнувати така ж кшькють елементiв гарячого резерву Nh , тобто загальна кшькють елеменпв обладнання ( Noch + Kн ));

- m-кратне ненавантажене резервування (nN ), коли кожен активний елемент обладнання мае п вдентичних запасних елементiв, що перебувають в стан ненаван-таженого резерву, де п = 1,2,... (якщо кшькють активних елементiв дорiвнюе Noch , то повинно юнувати nNHH елеменпв ненавантаженого резерву);

- навантажене замщення ( Noch + K н), коли на гру-

пу з Noch iдентичних активних елеменпв юнуе Kнн додаткових елементiв, що перебувають в сташ наван-таженого резерву, де NОСН > Kн ;

- ненавантажене замщення ( Noch + K нн), коли на групу з Noch шентичних активних елеменпв iснуе K нн додаткових елеменпв, що перебувають в сташ холодного резерву, де NОСН > Kнн ;

- функщонально надлишкове забезпечення ( SNoch +), коли група з Noch функцюнально над-лишкових елементiв обладнання функцюнуе як пул певного функцюнального ресурсу, кшькють якого в S разiв перевищуе його номшальну потребу. В цьому випадку, якщо один з елеменпв обладнання вийде з ладу, потребу у використанш необхiдного ресурсу задовольнять iншi елементи цього пулу. S - ко-ефiцiент функцюнально! надмiрностi ресурсного пулу, де 2 > S > 1. Якщо, наприклад, S = 1,1, то мае мюце десятипроцентна функцюнальна надлишковють, тобто забезпечено одночасне резервування функцiональних можливостей тшьки десято! частки вiд елеменпв пулу.

Слад видшити так методи резервування макроеле-менпв обладнання UTRAN:

1. Загальне навантажене резервування кожного контролера RNC iдентичним фiзично вiдокремленим мак-

роелементом за схемою RNCoch + mRNCH, де заз-вичай кратнють резервування m = 1.

2. Загальне ковзне навантажене резервування базо-вих станцш nNBocH + mNBH (n = 1,2,3.... - кшькють основних базових стандiй), коли на групу з nNBocH

базових стандiй iснуе mNBH додаткових, яю перебувають у сташ навантаженого резерву (нео бхвдний час для тдключення навантаженого резерву - не бшьше 1 с).

3. Загальне ковзне ненавантажене резервування базових станцш nNBocH + ™NBhh , коли на групу з nNBocH базових станцш юнуе mNBHH додаткових, яю перебувають у сташ ненавантаженого резерву (не-обхвдний час для здiйснення замiщення - не бшьше 90 с).

4. Ковзне навантажене i ненавантажене резервування базових станцш

nNBocH + m1NBH + m2NBHH ,

коли на групу з nNBocH базових станцш юнуе mjNBH додаткових, яю перебувають у сташ навантаженого резерву, та m2NBHH додаткових базових станцш, яю перебувають у сташ ненавантаженого резерву.

5. Ковзне навантажене, полегшене та ненавантажене резервування базових станцш

nNBocH + m1NBH + m2NBncn + тз^нн ,

коли на групу з nNB0cH базових станцш юнуе m^N^ додаткових, яю перебувають у сташ навантаженого резерву, m2NBnQn додаткових Node B, яш перебувають у сташ полегшеного резерву, та тз^нн додаткових Node B, яю перебувають у сташ ненавантаженого резерву.

6. Функцюнальне резервування базових станцш (SnNBQCH +), коли група з nNBQCH функцюнуе як пул абонентського ресурсу, в якому кшькють станцш в S раз1в перевищуе його номшальну потребу в обробщ обсяпв трафша (в цьому випадку, якщо одна з базових станцш вийде з ладу, то потребу у викори-станш ii ресурсу задовольнять 1нш1 станцп цього пулу). Якщо S - коефщент функцюнально! надшрносп ресурсного пулу Node B, тод при S = 2 маемо сто-ввдсоткову ресурсну абонентську надшрнють. Необ-хвдний час для здшснення функцюнально надлишко-вого забезпечення Node B - не бшьше 1 с.

5. Структура середовища резервування конструктивних блоюв базовоТ станцп та контролера базових станцш RNC

Об'ектами резервування е:

- конструктивш блоки (КБ) базово! станци WAM i SW;

- конструктивш блоки контролера базових станцш FAM, BAM i LMT.

Слад видшити таю методи резервування КБ базово! станци:

1. Загальне навантажене резервування (дублювання) вдентичним фiзично ввдокремленим блоком кожного

КБ в Node B за схемою пКБосн + тКБн, де зазвичай кратнють резервування m = 1.

2. Загальне ненавантажене резервування вдентичним фiзично вiдокремленим блоком кожного КБ за схемою пКБосн + тКБн.

3. Загальне одночасне навантажене та ненавантажене резервування КБ вдентичними фiзично вщокремлени-

ми блоками за схемою пКБосн + тцКБн + т2КБнн .

4. Загальне ковзне навантажене резервування блоюв пЬМТосн + тЬМТн , коли на групу з пЬМТосн юнуе тЬМТн , яю перебувають в сташ навантаженого резерву (зазвичай m < п).

Можливi варiанти схем резервування КБ в RNC:

1. Загальне ковзне навантажене резервування блоюв пЬМТосн + mLM^ , коли на групу з пЬМТосн юнуе mLM^ , яю перебувають в сташ навантаженого резерву.

2. Загальне ковзне ненавантажене резервування блоюв пЬМТосн + mLMTнн , коли на групу з пЬМТосн

юнуе mLMTHH , яю перебувають в сташ ненавантаженого резерву.

3. Ковзне навантажене та ненавантажене резервування блоюв nLMTOCH + mjLMTH + m2LMTHH , коли на

групу з nLMTocH блоюв юнуе uijLMTh додаткових блоюв LMT, яю перебувають в сташ навантаженого резерву, та m2LMTHH додаткових LMT, яю перебувають в сташ ненавантаженого резерву.

6. Структура середовища резервування нижнього рiвня (програмш модул^

Об'ектами резервування е:

- програмш модулi (ПМ) «master O&M» i «telecom master» блоку WAM в BTS;

- програмш модулi «BTS Manager» i «manager AXC» блоку SW в BTS.

Можливi варiанти схем резервування ПМ:

1. Ыавантажене дублювання вдентичним логiчно iзо-льованим модулем кожного ПМ в BTS за схемою

NnMOCH + NnMH .

2. Взаемне стоввдсоткове функцюнально надмiрне забезпечення кожного ПМ з пари «master O&M» i «telecom master» та пари «BTS Manager» i «manager

AXC» за схемою 2NnMOCH + 2NocH. Ыаприклад, якщо у ПМ «master O&M» виникнуть проблеми не-вiдповiдностi, тодi виконання його функцiй вiзьме на себе ПМ «telecom master». Те ж саме стосуеться пари «BTS Manager» i «manager AXC».

Розроблена класифшащя дозволить формалiзувати структуру технологш резервування та видшити аль-тернативш практично значущi структури резервування для вибору оптимального варiанту.

7. Особливосп резервування обладнання на рiвнi макроелементiв RAN

Основний варiант забезпечення експлуатащйно! над-iйностi будь-якого макроелемента RAN показано на рис. 2.

RRU RRU

Pnc. 2. Оcновний вapiaнт peзepвувaння мaкpоeлeмeнтiв RAN

Як бачимо, основний системний блок (BBU) макро-елемента резервуеться за схемою

КБосн + 1КБн + 2КБнн . Отже, маемо один активний системний блок Active BBU, який на заданому штер-валi часу бере на себе робоче навантаження; один системний блок Standby BBU, який здшснюе функщю навантаженого резервування активного блоку; два додаткових пасивних системних блоки extended BBU, як здiйснюють функцi! ненавантаженого резервування як основного активного, так i резервного наванта-женого системного блоку.

До основного системного блоку можуть бути шдклю-чеш вiддаленi блоки RRU, яю розмщуються у можли-вих мiсцях концентрацп абонентського навантаження. Цим забезпечуеться надшшсть каналу транспортуван-ня iнформацi! мгж основним та вiддаленим блоками макроелемента.

8. Розрахунок готовносп основного BapiaHTy резервування макроелемен^в UTRAN

Для оцiнювання коефщента готовносп резервовано! системи використаемо методику, яку запропоновано в роботах [9, 10]. Процес експлуатацл представляеть-ся як послщовшсть змiни рiзних сташв (iнтервалiв) процесу, в яких може знаходитися i-й КБ. Таким чином, поведанку КБ на iнтервалi експлуатацл (0р<)

можна описати випадковим процесом Li(t), (i = 1,m),

(t > 0) з шнцевим простором сташв E = У E. .

Кожний з КБ може перебувати в одному з наступних сташв випадкового процесу Li(t) [9]:

G(i) - якщо в момент часу t КБ використовувався за призначенням i перебував в працездатному сташ;

G2i) - якщо в момент часу t КБ не використовувався

за призначенням i проводився контроль його працез-датносп за допомогою вбудовано! системи контролю (ВСК);

G3i) - якщо в момент часу t КБ не використовувався

за призначенням i проводився його демонтаж або монтаж;

G4i) - якщо в момент часу t забракований КБ не за планом простоював через вiдсутнiсть запасного КБ;

Gji) - якщо в момент часу t проводилося «хибне вщновлення» КБ в сервюному центрi;

Ggi) - якщо в момент часу t проводилося «в1рне» вiдновлення КБ.

Для паралельно! структури резервування коефiцiент готовносп визначаеться за формулою

Кг = 1 -(1 - EG1/EG0)

(1)

де EG0 = EG1 + EG2 + EG4 - сума математичних спо-дiвань перебування КБ у станах G(i), G2i) i G4i)

вiдповiдно.

При експоненщальному закош розподiлу наробки до вщмови використовуються вирази [10]

EG, =-

1 - e

-Хт

1 -(1 -a)e

-Хт

EG2 =-

1

1 -(1 -a)e

-Хт

т(1 -Pe-XT)

1 - e

-Хт

1 -р

(2)

(3)

де т - перюдичнють контролю; л - iнтенсивнiсть раптових вiдмов КБ; а i в - умовш ймовiрностi «хибно! вщмови» та «невиявлено! вщмови» шд час контролю працездатносп КБ вщповщно.

Приклад. Визначимо коефiцiент готовносп блоку ВВи,

якщо ¿нтенсивнють раптових вщмов ВВи Я,! = 5,0-10-5

1/год, а = в = 0,001, т = 1 год, MS5 = 0 (об'ем запас-них частин необмежений). Порядок розрахунку коеф-iцiента готовносп полягае в наступному:

- визначаемо середнш час перебування ВВи в працездатному сташ за середнiй цикл регенеращ! за формулою (2)

EG, =-

1 - e

Хт

Х

1 -(1 -а)

-Хт

= 952,4 год;

- визначаемо середнш час перебування BBU в сташ приховано! вщмови за середнш цикл регенеращ! за формулою (3)

EG2 =-

1

1 -(1 -a)e

-Хт

т(1 -Pe-XT)

1 - e

Хт

1 -в

Х

= 0,18год;

- визначаемо середнш цикл регенеращ! BBU за формулою EG0 = EGj + EG2 = 952,4 год;

- визначаемо коефщент готовносп одного комплекту апаратури за формулою (1)

Кг = 1 -(1 - EG^ )m.

За вщсутносп резервування (m = 1) отримуемо

Кг = 0,9996.

При паралельному резервуванш (m = 2 ):

Кг = 0,999999.

Отримаш результати свщчать про те, що за вщсутносп резервування готовшсть BBU не вщповщае вимогам «п'яти дев'яток». За допомогою резервування мож-

Х

ливо ютотно пiдвищити готовнють системи й забезпе-чити заданi вимоги. Однак при збiльшеннi кратностi резервування необхвдно враховувати вартють резервных комплекпв. Вплив на вибiр варiаmу резервування експлуатащйних витрат е метою подальших дослвд-жень.

9. Висновки

Проаналiзовано блоки та макроелементи системи ра-дiодоступу UTRAN. Проведено класифiкацiю видiв резервування на приклад обладнання компани Huawei. Запропоновано класифiкацiю резервування для в«х рiвнiв обладнання та програмного забезпечення. На-дана класифiкацiя дозволяе визначити оптимальну технологто резервування блоков та макроелеменпв для забезпечення заданого рiвня готовность Показано на приклад^ що без застосування резервування не завжди вдаеться забезпечити необх^дний рiвень готовности ТКО. Отриманi результати можуть бути викори-станi виробниками ТКО, а також компанiями стшьни-кового зв'язку в процесi впровадження та експлуа-таци обладнання 3G. Подальшим продовженням дос-лiджень е розробка критерто оптимiзацiï технологiй резервування й ощнювання експлуатацiйних витрат.

Лтгература: 1. Системи зв 'язку з рухомими об'ектами [Текст] : тдручник // С. О. Кравчук, О. Г. Голубничий, А. Г. Тараненко та ш. К. : Вид-во ТОВ «Спринт-Сервю», 2012. 452 с. 2. Nakagava, T. Maintenance Theory ofReliability [Text] / T. Nakagava. Springer Verlag, 2005. 258 p. 3. Pham, H. Handbook of reliability engineering [Text] / H. Pham.

London : Springer, 2003. 298 p. 4. Dharmaraja, S. Reliability And Survivability Analysis For UMTS Networks [Text] : An Analytical Approach / S. Dharmaraja, U. Varshney // IEEE Transactions On Network And Service Management. September 2008. Vol. 5, No. 3. P. 132-142. 5. Lin, Yi-Bing. PerUser Checkpointing for Mobility Database Failure Restoration [Text] / Yi-Bing Lin // IEEE Transactions On Mobile Computing. January-March 2005. Vol. 4, No. 1. P. 1-12. 6. BSC6900 GSM. Hardware Description [Text]. Huawei Technologies Co., Ltd., 2010. P. 9-12. 7. Airbridge BTS3900C CDMA Base Station. Hardware Description [Text]. Huawei Technologies Co., Ltd., 2010. P. 4-33. 8. RAN12.0 3900 Series NodeB. Product Description [Text]. - Huawei Technologies Co., Ltd., 2010. 70 p. 9. Уланский В. В. Показатели эффективности эксплуатации резервированных авиационных радиоэлектронных систем [Текст] / В. В Уланский, И. А. Мачалин // Математичн машини i системи. - 2006. № 4. C. 155-163. 10. Уланский В. В. Математическая модель процесса эксплуатации легкозаменяемых блоков систем авионики [Тест] / В. В Уланский, И. А. Мачалин // Авиационно-космическая техника и технология. 2006. № 6(32). С. 74-80.

Надшшла до редколегл 11.09.2015

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Бараншк В.В.

Терентьева Ipiiiia Свгеншна, астрантка каф. телекомун-жацшних систем Нацюнального авiацiйного ушверсите-ту, E-mail: [email protected].

Terentyeva Irina Evgenevna, aspirant, telecommunication systems, national aviation University. E-mail: [email protected].