Живучесть беспроводных сетей связи в условиях чрезвычайной ситуации

Живучесть беспроводных сетей связи в условиях чрезвычайной ситуации

Ключевые слова: беспроводная связь, живучесть сетей, чрезвычайная ситуация, устойчивость, оценка живучести.

В наши дни мир стал целиком зависеть от услуг, предоставляемых мобильной связью. Все современные сети подвижной связи реализованы по иерархическому принципу. Подобные системы очень неустойчивы, т.к. отказ одного из элементов может повлечь отказ всей системы. Различные разрушающие воздействия имеют разное влияние на степень и характер повреждения сети. Статья посвящена анализу методу оценки живучести беспроводной сети связи в условиях чрезвычайных ситуаций. Живучесть сети является важным аспектом надежности услуг связи. Сеть должна быть доступной для пользователей в любой момент, когда он захочет использовать ее. В момент атаки сеть также должна восстанавливать свои функции как можно скорее. Задача живучести - это предоставление услуг в случае неисправностей/ сбоев системы и возможность полного своевременного восстановления в случае отказа. Предложены методы расчета основных характеристик поврежденной сети, с помощью которых можно предсказать поведение системы. Предложен вариант повышения живучести как неотъемлемой составляющей устойчивости сети связи, анализ которой поможет представить характеристики сети, учитывая особенности и зависимости друг от друга. Характерной особенностью природной или техногенной катастрофы является плохая ее предсказуемость, внезапность, молниеносное распространение, случайность поражения объектов в очаге ЧС, низкая вероятность выхода из строя оборудования мобильной связи вне зоны очага поражения. Основной задачей системы связи является преодоление чрезвычайной ситуации и организация оповещения населения, следовательно, критерий живучести определяется оценкой вероятности блокировки вызова Е. Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы. Наиболее эффективным способом обеспечения функционирования подвижной сети связи в условиях чрезвычайной ситуации является повышение интенсивности обслуживания запроса, например, организация взаимодействия посредством SMS. Увеличение числа каналов в поврежденном кластере целесообразно за счет перераспределения каналов выбывших базовых станций, чтобы избежать интерференции. При дублировании базовых станций при высокой нагрузке вероятность блокировки все равно будет высокая. Этот способ повышения живучести можно применять только как дополнение к другим.

Ромашкова О.Н.,

д.т.н., профессор кафедры систем телекоммуникаций РУДН, ox-rom@yandex.ru

Дедова Е.В.,

Студентка 5 курса кафедры систем телекоммуникаций РУДН, elenadedova_91@mail.ru

Введение

В соответствии с Доктриной информационной безопасности Российской Федерации защита информационных и телекоммуникационных систем вошла в сферу важнейших национальных интересов. В этих условиях особое значение приобретает проблема согласованного и эффективного взаимодействия операторов связи как во время проведения поисковых и антитеррористических мероприятий, так и во время чрезвычайных ситуаций, вызванных различными природными катаклизмами, а также техногенными катастрофа-ми[1]. Неблагоприятные воздействия техногенного, природного, социального или криминального характера могут привести к отказам в обслуживании пользователей телекоммуникационных услуг.

Живучесть - это свойство, характеризующее способность сети связи эффективно функционировать при получении повреждений (разрушений) или восстанавливать данную способность в течение заданного времени. Повреждения сети могут быть различными в зависимости от вида чрезвычайной ситуации [2].

Любая система беспроводной связи представляет собой многоуровневую иерархическую структуру, включающую в себя множество узлов, связанных между собою определенным образом. Такой конструкции присуще свойство уязвимости, которая определяется тем, что за счет многочисленных узлов и связей между ними (учитывая, что нормальное функционирование нескольких узлов иерархической сети возможно только при нормальном функционировании одного основного узла, называемого управляющим) нередко проявляется «каскадный эффект», когда сбой в одном каком-либо месте провоцирует перегрузки и выход из строя многих других элементов.

Проектирование новых сетевых систем и развитие уже существующих связаны с проблематикой принятия решений по использованию имеющихся сетевых структур: управлению потоками, распределению ресурсов между узлами. Эти проблемы тесно связаны с задачей определения связности и живучести существующих или проектируемых мобильных сетей связи.

Исследование устойчивости подвижной сети связи к разрушающим воздействиям невозможно без анализа влияния компонентов сети на живучесть, поэтому возникает необходимость детального рассмотрения конкретной технологии мобильной связи. Деление системы на домены (структурные подсистемы) позволяет выделить важнейшие компоненты сети, обеспечивающие устойчивость к разрушающим воздействиям, а также проанализировать последствия их выхода из строя [3].

Припуишам с*осо6-4<хтъ системы

Дилле м транзит

ГГТУ

I црм»

Домен обслуживания сети 0.13*0 441С /III 1

Дпг/ги МЯУ

Доллен инфраструктуры

Диме-4 4бо-*‘М1С«»ООборуДО*4-<ИИ

Рис. 1. Декомпозиция архитектуры сети

Архитектура сети позволяет представить иерархическую модель живучести сети связи как композицию нескольких моделей живучести подсистем более низкого уровня: оборудования радиодоступа, абонентских терминалов, базовой сети и шлюзов для коммутации с внешними сетями (рис. 1). Причем влияние внешних сетей можно исключить из рассмотрения, так как события, связанные с чрезвычайной ситуацией, обычно носят локальный характер [4]. Поскольку основные процессы разрушения и восстановления в подмоделях происходят независимо друг от друга, становится возможной декомпозиция общей задачи, что в свою очередь позволяет сконцентрироваться на детальном исследовании живучести подсистем. Так вероятность живучести сети определяется следующим произведением:

РЖ ~ РлоРвсРрД

В силу предполагаемой многочисленности и высокой мобильности абонентов можно считать рАО=1 за исключением отдельных случаев, когда необходимо оценить степень поражающего воздействия на абонентов. Заметим, что проблема исследования живучести базовой сети закрывается многочисленными исследованиями живучести стационарных сетей. Таким образом, с целью учета специфики живучести мобильной сети связи, имеет смысл сделать акцент на анализе оборудования радиодосту'па[5].

Оценка живучести систем мобильной радиосвязи в условиях природных и техногенных катастроф

Характерной особенностью природной или техногенной катастрофы является плохая ее предсказуемость, внезапность, молниеносное распространение, случайность поражения объектов в очаге ЧС, низкая вероятность выхода из строя оборудования мобильной связи вне зоны очага поражения. Восстановительные и спасательные работы, как правило, начинаются уже после активной фазы распространения последствий катастрофы. Основной задачей системы связи является преодоление чрезвычайной ситуации и организация оповещения населения, следовательно, критерий живучести определяется оценкой вероятности блокировки вызова Е (или интенсивностью отказов).

Введем следующие обозначения:

N - общее количество базовых станций в зоне чрезвычайной ситуации, образующих кластер;

к - случайное число базовых станций, сохранивших работоспособность;

т — число каналов базовой станции;

X — интенсивность поступления вызова;

// - интенсивность обслуживания запроса [6].

Возможны два вида чрезвычайной ситуации:

• природная или техногенная катастрофы;

• преднамеренная атака.

Предположим, что вероятность выживания всех базовых станций одинакова. Например, это предположение верно, когда все станции находятся в очаге поражения. Абоненты, подключенные к пораженным станциям, захватываются оставшимися базовыми станциями либо абоненты сами переходят в соты выживших базовых станций. Интенсивность вызовов или средняя продолжительность сеансов в этом случае может зависеть от числа выбывших станций.

Критерий живучести определяется оценкой вероятности блокировки вызова Е:

Е = 2>(„= к) = Р^(к) = ХОМ-Р)-

(тк)\

+(1 -Р)У

Формула блокировки Е может быть записана в виде двух слагаемых, первое из которых характеризует вероятность блокировки вызова при наличии выживших базовых станций, второе слагаемое - это вероятность уничтожения всех базовых станций. В этом случае отказа всех базовых станций все вызовы блокируются со стопроцентной вероятностью.

\тку.

Е = ХО‘(1-Р)л'*

Формула оценки живучести: „ Р

5иг = 1-|;С‘/(1-р)у-‘

(тк)\

Заметим, что интенсивность вызовов или средняя длительность сеанса может зависеть от числа выбывших станций, например, увеличивается потребность в связи у абонентов пораженных сот, соответственно увеличивается объем получаемой абонентом информации и время сеанса. В данном случае формула остается верной, заменяется лишь р на р(к) [7].

Теперь предположим, что вероятность выживания базовой станции возрастает с увеличением расстояния от источника поражения (рис. 2).

Рис. 2. Разбиение сети подвижной связи на соты

Упорядочим вероятности выживания станций по возрастанию и пронумеруем:

Р1>Р2> Рз> ->Рп. Л = Р (Л<).

Отметим, что здесь показатель живучести характеризует эффективность обеспечения связи в рамках всей системы, в то время как в рассмотренных выше случаях исследовались потери в очаге.

Выводы

Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы. Наиболее эффективным способом обеспечения функционирования подвижной сети связи в условиях чрезвычайной ситуации является повышение интенсивности обслуживания запроса, например, организация взаимодействия посредством SMS. Увеличение числа каналов в поврежденном кластере целесообразно за счет перераспределения каналов выбывших базовых станций. Дальнейшее увеличение количества радиоканалов в указанном кластере приводит к необходимости решения достаточно трудоемкой задачи, направленной на устранение интерференции. Таким образом, данный метод наряду с повышением живучести отдельной базовой станции целесообразно применять как вспомогательную меру.

Литература

1. ГОСТ Р 53111-2008. Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки. М.: Стандартонформ, 2009.

2. R.J. Ellison, D.A. Fisher, R.C. Unger, et a!., “Survivable Network Systems: An Emerging Discipline, Technical Report CMU/SEI-97-TR-013, Software Engineering Institute, Carnegie Mellon University, November 1997.

3. Гольдштейн B.C.. Соколов H.A. Яновский Г.Г. Сети связи: Учебник для ВУЗов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 400 с.

4. Громов Ю.Ю.. Драчев ВО.. Набатов К.А., Иванова О.Г. Синтез и анализ живучести сетевых систем — М.: «Издательство Машиностроение-1», 2007. - 152 с.

5. Ромашкова О.Н.. Яковлев Р.А. Анализ и расчет живучести инфокоммуникационных сетей в условиях чрезвычайных ситуаций // T-Comm: Телекоммуникации и Транспорт, 2012. - №7. - С.165-170.

6. Величко В.В. Живучесть и качество обслуживания мобильных сетей передачи данных в условиях чрезвычайных ситуаций: автореферат дис.; [Сибирский гос. ун-т телекоммуникаций и информатики]. — Новосибирск, 2005. — 31 с.

7. Baker. М.С.. Witschorik. С.A., Tuch. J.C., Hagey-Espie, W.. and Mendiratta, V.B. (2004). Architectures and disaster recovery strategies for survivable telecommunications services. Bell Labs Technical Journal, Vol. 9(2), pp. 125-145.

The survivability of wireless networks in an emergency situation

Romashkova O.N., Dedova E.V., Telecommunication System Department, Peoples' Friendship University of Russia

Abstract

Nowadays the world has become completely dependent on services prov'ded by mobile communication. All modern mobile networks are realized according to the hierarchical approach. Such systems are very unstable, because the failure of one of the elements may cause an entire system crash. Various destroyng impacts have different influences on the degree and the nature of a network's damage. The article is devoted to the analysis of the methods for assessing the survivability of a wireless network in emergency situations. The article provides the methods of the performance calculation of a damaged network which enable the system's behavor to be predicted. Furthermore, the method of stimulating the survivability's growth as an integral part of communication network stability is presented within this article, the analysis of which will aid to adduce network's characteristics considering their peculiarities and their interdependency. A characteristic feature of natural or anthropogenic disaster is its poor predictability, suddenness, quick-fire distribution, accidental destruction of objects in the accident cluster under the conditions of emergencies, low probability of mobile communication equipment failure outside the area of the accident cluster. The main task of the communication system is to overcome the emergency situation and to act like emergency-broadcast system, consequently, the survival criterion is determined by the estimate of blocking probability of a call E. Output evaluation allows us to make the followng conclusions. The most effective way of mobile network disaster recovery is to increase the intensity of the service request, for instance, the liaison va SMS. An increase in number of channels in the damaged cluster through redistribution of channels of eliminated base stations is worthwhile in order to avoid interference. In case of base stations duplicating the blocking probability will still be high in the event of high load. And this way of the survivability augmentation can be used only as an addition to some others.

Keywords: wireless network, survivability of networks, an emergency situation, stability, a survivability assessment.

References

1. The State Standard GOST R 53111-2008. The stability of a public telecommunication network operation. Requirements and testing methods, Moscow, 2009.

2. Ellison, R Fisher, D Linger, R November 1997, 'Survivable Network Systems: An Emerging Discipline', Technical Report CMU/SEI-97-TR-013, Software Engineering Institute, Carnegie Mellon University.

3. Goldstein, B Sokolov, N Yanovskil, G 2010, Communication networks: Textbook for universities, St.-Petersburg, p. 400.

4. Gromov, Y Drachev, VNabatov, K Ivanova, O 2007, Synthesis and network systems survivability analysis, Moscow, p. 152.

5. Romashkova, O Yakovlev, R 2012, 'The analysis of models and methods for an assessment of survivability of infocommunication networks in the conditions of emergency situations', T-Comm, no. 7, pp.165-170.

6. Velichko, V2005, Mobile data communication network survivability and QoS in emergency situations: autoabstract, Siberian State University of Telecommunications and Informatics, Novosibirsk, p. 31.

7. Baker, M Witschorik, C Tuch, J Hagey-Espie, W and Mendiratta, V 2004, 'Architectures and disaster recovery strategies for survivable telecommunications services', Bell Labs Technical Journal, Vol. 9(2), pp. 125-145.

живучесть не превышает 87,5%, а интенсивность блокировки не может быть ниже 12,5%.

Из полученных данных видно, что второй способ приводит к лучшим результатам. На практике целесообразно применять комбинированную стратегию, но и ее результат будет ограничен вероятностью уничтожения всех базовых станций.

В целях увеличения эффективности функционирования системы можно принять меры для повышения живучести отдельных станций, например, дублировать стационарные базовые станции мобильными БС. Но даже в случае увеличения числа БС при высокой нагрузке вероятность блокировки высокая. Таким образом, данные меры не имеют самостоятельной ценности, их целесообразно применять только как дополнение к рассмотренным выше методам.

Отметим, что в силу мобильности абонентов, позволяющей им выходить из зоны поражения и подключаться к выжившим станциям, сотовая сеть с большим числом сот обладает достаточно высокой структурной живучестью. На рисунке 5 представлена зависимость вероятности успешного обслуживания от числа базовых станций в условиях увеличения времени обслуживания и при работоспособности БС равной 0,8.

р О.»

ро 5С

п 2.3..6

Ш ‘ 2(

Sur(n)  0.604 0.826 0.935 0.979 0.993

3 4 $ 6

Рис. 5. Расчет зависимости живучести от количества базовых станций