Ứng dụng lý thuyết hệ thống vào bài toán phát hiện, định vị sự cố trong quản lý viễn thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VN
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT HỆ THỐNG VÀO
BÀI TOÁN PHÁT HIỆN,
ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRONG QUẢN LÝ VIỄN THÔNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ : 60.52.70 8

HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: ĐỖ VĂN PHÁT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH. NGUYỄN
NGỌC SAN

HÀ NỘI - 2010




1
Luận văn được hoàn thành tại:
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TSKH. NGUYỄN NGỌC SAN

Phản biện 1:


Phản biện 2:


Phản biện 3:


Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại: Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ .….ngày…….tháng…… năm 2010
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông





21
Có nhiều phương pháp có thể áp dụng để xây dựng mô hình
tựa tuyến tính đối với bài toán xác định sự cố trong TN, nhưng
phương pháp sử dụng được mô tả trong luận văn này dựa trên tiêu
chí tối ưu theo trạng thái động học nên tránh được các khó khăn
trong tính toán do sự phức tạp của toán học gây ra.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:
Trong thời gian ngắn, mặc dù với cố gắng nỗ lực hết mình,

đồng thời với sự chỉ bảo tận tình của thầy hướng dẫn, xong với sự
hạn chế chủ quan, một số vấn đề cần được đặt ra trong hướng
nghiên cứu tiếp theo để nhằm hoàn thiện hơn cho chủ đề nghiên
cứu. Sau đây có thể nêu ra các hướng tiếp theo :
 Luận văn mới nêu ra việc phát hiện và định vị sự cố
nhưng chưa thực hiện việc giải trừ sự cố. Khi phát
hiện và định vị sự cố xong, cần phải đưa ra quyết định
đúng đắn để giải trừ sự cố như tự phục hồi sự cố, sửa
chữa hoặc thay thế các thiết bị có sự cố…
 Để thực hiện bài toán, cần đưa các bộ cảm biến vào
các thiết bị trong TN để có thể cung cấp thông tin cho
TMN. Các cảm biến này lấy các tham số hoạt động
của thiết bị vì vậy sự hoạt động của các cảm biến rất
có thể ảnh hưởng đến mạng. Hướng nghiên cứu tiếp
theo cần phải xem xét đến việc đưa bộ cảm biến này
vào mạng nhưng không ảnh hưởng đến hoạt động của
mạng.



2

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam đang sở hữu mạng lưới viễn thông với công nghệ
hiện đại ngang tầm với các nước trên thế giới và đang đi những
bước chuyển đổi, phát triển mạnh mẽ nhằm vào tính đa dạng hoá
các loại hình dịch vụ, nâng cao hiệu quả sử dụng cơ sở hạ tầng
mạng và mềm dẻo trong cung cấp chất lượng dịch vụ để đáp ứng
nhu cầu ngày càng cao của khách hàng.

Quản lý viễn thông có nhiệm vụ theo dõi, giám sát và điều
khiển tất cả các thành phần tham gia vào quá trình truyền thông. Do
các thành phần tham gia vào quá trình truyền thông này rất khác
nhau nên việc thực hiện nhiệm vụ này rất phức tạp. Điều đó dẫn
đến sự phức tạp, khó khăn cho công tác quản lý, điều hành mạng
lưới.
Để đạt được mục tiêu đặt ra đối với các nhà cung cấp dịch vụ
viễn thông là khai thác, quản lý tối ưu mạng nhằm nâng cao tính
cạnh tranh bằng phẩm chất dịch vụ, thì việc tìm kiếm phương pháp
tiếp cận, xử lý bài toán quản lý mạng viễn thông được đặt ra, trong
đó có bài toán phát hiện và định vị sự cố trong mạng nhằm giảm
thiểu thời gian gián đoạn kết nối cuộc gọi. Việc áp dụng lý thuyết
hệ thống để giải bài toán trên được xem là một trong những phương
pháp được đông đảo các nhà khoa học thừa nhận.
Trong luận văn này, tôi nhìn mạng viễn thông như một quá
trình động học được cấu thành từ các phần tử mạng (nút chuyển
mạch, tuyến truyền dẫn, v.v…). Coi sự biến đổi trạng thái của các
phần tử mạng là các động học xảy ra trên mạng để phát biểu bài
toán “Phát hiện, định vị sự cố trong mạng viễn thông” nhằm phục
vụ nhu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ của nhà cung cấp dịch vụ
mạng viễn thông.

3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
HỆ THỐNG.
1.1. Định nghĩa, các khái niệm và thuật ngữ cơ
bản.
Ngày nay các thuật ngữ “hệ thống”, “lý thuyết hệ thống”,
“khoa học hệ thống” và “kỹ thuật hệ thống” trở nên khá phổ biến
và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điều khiển, xử
lý số liệu, công nghệ sinh học…. và khiến chúng được hiểu theo
hàm nghĩa liên quan đến lĩnh vực được sử dụng.
1.2. Các định nghĩa.
Có nhiều cách định nghĩa hệ thống. Tuỳ theo mục đích
nghiên cứu, cách tiếp cận trong nghiên cứu mà người ta mô tả hệ
thống theo các cách khác nhau
1.3. Tuyến tính hoá hệ thống phi tuyến.
Trong thực tế không có một hệ thống vật lý nào có thể mô
tả tuyệt đối chính xác bằng phương trình vi phân hệ số hằng tuy
nhiên nhiều hệ phi tuyến có thể xấp xỉ hoặc coi như tuyến tính
trong từng đoạn làm việc. Có nhiều phương pháp được áp dụng cho
việc tuyến tính hoá hệ thống phi tuyến như: Phương pháp trung
bình gần điểm làm việc, phương pháp tuyến tính hoá điều hoà và
phương pháp sai lệch nhỏ.
1.4. Tính ổn định của hệ thống tuyến tính.
1.4.1. Khái niệm chung.
1.4.2. Khái niệm ổn định và các định nghĩa chính.
Đối với hệ thống tuyến tính, ổn định của hệ thống có mối
liên hệ tới ma trận A của hệ thống. Có thể nói đại khái rằng ổn định
của các hệ thống này là tính chất của ma trận hệ thống A. Đối với
hệ thống liên tục hay gián đoạn khi không có đầu vào (đầu vào
bằng không).

Định nghĩa 1: Một hệ thống là ổn định nếu chuyển động
của nó được giới hạn, nói một cách khác nếu vectơ trạng thái bị
giới hạn bởi hằng số.



20
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN
CỨU TIẾP THEO
Kết luận:
Trong phần lời nói đầu luận văn đã trình bày: Lý do chọn đề
tài, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học
và thực tiễn của đề tài.
Phần lý thuyết, luận văn đã đưa ra các lý thuyết liên quan
mật thiếy đến đề tài luận văn, làm cơ sở lý thuyết để thiết lập bài
toán cụ thể ở chương tiếp theo.
Xuyên suốt luân văn đã cho thấy, đối với một hệ thống động
học thoả mãn điều kiện ổn định, đồng thời quan sát và điều khiển
được, bằng cách tạo nguồn dư hợp lý thông qua quan sát trạng thái,
ước lượng thông số hệ thống và đánh giá tín hiệu dư đó, người ta có
thể phát hiện và định vị sự cố trong hệ thống.
Nếu xem TMN quản lý TN thông qua việc quản lý các động
học cơ bản thiết lập xung quanh các nút mạng, thì bằng phương
pháp như trên, từ các tín hiệu thu nhận được qua các bộ cảm biến
trên mạng, có thể xác định được kịp thời nguyên nhân, vị trí cố xảy
ra trên đó.
Có thể nói việc xác định mô hình toán học mô tả các đặc
trưng của mạng TN nói chung và bài toán định vị sự cố tín hiệu thu
nhận để xác định lỗi trong mạng. Do phương pháp tìm nghiệm của
bài toán trở thành việc thuần tuý thu nhận tất cả các thông tin biến

đổi tức thời trên mạng (trạng thái mạng). Từ các số liệu thu nhận
được giúp cho nhà quản lý điều hành mạng có thể chọn lọc số liệu
để so sánh tìm ra mối tương quan giữa các thành phần mạng và
tương quan theo thời gian, phân tích và cần thiết thì dùng các
phương tiện đo kiểm tra mạng để xác định nguyên nhân gây ra lỗi,
vị trí xảy ra lỗi và sự cố trên mạng. Nhà quản lý điều hành cũng có
thể kiểm tra được thực trạng và mức độ nguy hiểm của lỗi, phạm vi
ảnh hưởng của lỗi và xử lý lỗi bằng các phương tiện như hiệu chỉnh
các chỉ tiêu, khôi phục hoặc khởi tạo lại cấu hình hệ thống nếu cần
thiết.



19
lịch sử của tín hiệu lỗi). Các phần dư được thiết kế theo một tập mã
riêng biệt gọi là cấu trúc các phần dư.





4

Định nghĩa 2: Một hệ thống là xu hướng ổn định nếu x(t)0
khi t .
1.5. Tính điều khiển được và tính quan sát được
của hệ thống.
* Điều khiển được của một hệ thống là với một tác động
vào liệu có thể chuyển được trạng thái của hệ từ thời điểm đầu t
o

đến thời điểm cuối t
1
trong khoảng thời gian hữu hạn (t
1
- t
o
) hay
không.
* Tính quan sát được của hệ thống là với các toạ độ đo được
ở đầu ra của hệ liệu ta có thể khôi phục được (Reconstrucbility) các
vectơ trạng thái x

trong một khoảng thời gian hữu hạn hay không?
1.6. Thiết kế hệ thống điều khiển trong không
gian trạng thái.
1.6.1. Phương pháp không gian trạng thái.
1.6.1.1 Khái niệm trạng thái
1.6.1.2 Phương trình vi phân vector trạng thái
Phương trình vi phân vector trạng thái:
.
x = Ax+ Bu
(1.30)
y = Cx + Du
(1.35)
Phương trình (1.30) được gọi chung là phương trình trạng thái.
Phương trình (1.35) được gọi là phương trình đầu ra.
1.6.2. Nghiệm của phương trình vi phân véc tơ trạng
thái.
         

0
0
t
x t t x t Bu d
       

(1.54)
Phương trình đặc trưng:


0
sI A
 
(1.55)

1.6.3. Nghiệm rời rạc của phương trình vi phân vectơ
trạng thái.










1
x k T A T x kT B T u kT
 

  
 
(1.57)



5
Chú ý : A(T)
≠ A và B(T)
≠ B

Phương trình (1.57) được gọi là phương trình vi phân vector
ma trận và có thể sử dụng cho việc mô phỏng thời gian rời rạc đệ
quy của các hệ thống đa biến.
Ma trận chuyển đổi trạng thái thời gian rời rạc A(T) có thể
được tính toán bằng cách thay T = t sẽ là :
 
2 2

2! !
k k
A T
A T
A T I AT
k
    
(1.59)
Thông thường, độ chính xác cần thiết đạt được với 5<k< 50.
Ma trận điều khiển thời gian rời rạc B(T) sau khi biến đổi là
:

 
2 2 3 1

2! 3! ( 1)!
k k
AT A T A T
B T IT B
k

 
    
 

 
(1.63)
1.7. Điều khiển hệ thống đa biến.
1.7.1. Tính điều khiển được và quan sát được.
Nếu một hệ thống được mô tả bởi phương trình (1.30) và
(1.35) thì điều kiện đủ cho khả năng điều khiển trạng thái hoàn
thiện là ma trận n
x
n:
1
[ : : : ]
n
M B AB A B

 (1.65)
gồm n vector hàng hoặc cột độc lập tuyến tính, tức là có bậc
n (không phải là ma trận duy nhất, tức định thức khác không).

Phương trình (1.65) được gọi là ma trận khả năng điều khiển.
Hệ thống được mô tả bởi (1.30) và (1.35) là hoàn toàn có
thể quan sát nếu ma trận n x n :


1
[ : : : ]
n
T T T T T
N C A C A C


(1.66)
có bậc n, tức là không duy nhất và có địnth thức khác 0.
Phương trình (1.66) được gọi là ma trận khả năng quan sát.

1.7.2. Thiết kế phản hồi biến trạng thái.
Xét một hệ thống được mô tả bởi các phương trình đầu ra
và trạng thái:



18
3.4.3.1 Sử dụng bộ quan sát trạng thái Luenberger để phát
hiện và định vị cô lập lỗi
Xét hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian trong điều
kiện có lỗi, biểu thức (3.27), (3.29) trở thành:
.
x
x f f

x 0 0
(t) ( ) (t) ( ) (t)
ˆ
(0)
   
 
e A LC e E LG f
e x x
(3.30)
y x f
(t) (t) (t)
 
e Ce G f
(3.31)
Sau khoảng thời gian ngắn do các điều kiện ban đầu không
còn, e
y
(t) có thể được sử dụng để phát hiện ra lỗi trong hệ thống.
Thực vậy, trong điều kiện không có lỗi, e
y
(t) tiến dần đến không và
sẽ khác không khi có lỗi xảy ra. Vì vậy, có thể xem e
y
(t) như một
nguồn tín hiệu dư và hệ các biểu thức (3.26), (3.28) và (3.29) là bộ
tạo dư kết hợp. Chú ý rằng e
y
(t) bây giờ phụ thuộc vào y(τ), u(τ)
với τ


[0,t] .
Có thể sử dụng bộ quan sát Luenberger để cô lập lỗi bằng
cách lựa chọn ma trận L (ma trận độ lợi) sao cho các quỹ đạo được
suy ra từ các loại lỗi. Mỗi loại lỗi được định nghĩa trước để không
phụ thuộc vào không gian. Bằng cách chiếu e
y
(t) vào từng không
gian con và phân tích mỗi giá trị chiếu tương ứng có thể định vị
được lỗi.

3.4.4. Điều kiện để định vị, cô lập lỗi
Một hệ dự đoán lỗi không chỉ phát hiện lỗi mà còn định vị
cô lập chúng, cụ thể là xác định lỗi nào xuất hiện. Đối với hệ này,
các phần dư phải nhạy cảm đối với các lỗi chắc chắn và không
nhạy cảm đối với các trường hợp khác.
Giả thiết rằng có n
f
lỗi phải được cô lập. Nếu n
f
phần dư có
thể được phác họa sao cho phần dư thứ i chỉ tác động đối với lỗi
thứ i, thì việc cô lập lỗi có thể thực hiện được dễ dàng. Việc cô lập
một lỗi đơn có thể đạt được bằng việc lựa chọn tập mã với các mã
không giống nhau. Lúc này, để tránh việc cô lập không đúng khi
phản ứng của một phần dư không phải như mong muốn trong lúc
xuất hiện một lỗi (do bởi nhiễu, mô hình không chắc chắn hoặc do



17

Xem xét hệ thống LTI hoạt động ở chế độ lý tưởng (không
có đầu vào không xác định và không có lỗi). Nó được mô tả bởi mô
hình không gian trạng thái như sau:
.
x(t) = Ax(t)+Bu(t)
(3.24)
y(t) = Cx(t)+ Du(t)
(3.25)
Một bộ quan sát trạng thái là một bộ lọc nhận các tín hiệu
đầu vào u(t) và y(t) và tạo ra một giá trị ước lượng
ˆ
(t)
x
của trạng
thái x(t). Bộ quan sát trạng thái Luenberger được mô tả bằng công
thức vi phân sau:
0
ˆ ˆ ˆ
(t) (t) (t) ( (t) (t) (t))
ˆ ˆ
(0)
    

x Ax Bu L y Cx Du
x x

(3.26)
trong đó, L là ma trận hằng số kích thước n x p, có các giá
trị được lựa chọn sao cho sau khoảng thời gian ngắn lỗi quan sát
x

ˆ
(t) (t) (t)
 
e x x
giảm nhanh tới không (0).
Động học của lỗi được rút ra từ các biểu thức (3.24) -
(3.26) như sau:
.
x
x
x 0 0
e (t) ( ) (t)
ˆ
(0)
 
 
A LC e
e x x
(3.27)
Khi hệ thống là quan sát được, ma trận L có thể được xác
định và giá trị riêng của (A-LC) là những giá trị cố định.
Giả thiết rằng các giá trị riêng có phần thực âm để e
x
(t)
giảm tiệm cận đến 0. Giá trị ước lượng đầu ra
ˆ
(t)
y
có thể được
suy ra từ biểu thức (3.25) :

ˆ ˆ
(t) (t) (t)
 
y Cx Du
(3.28)
Lỗi ước lượng giá trị đầu ra:
y
ˆ
(t) (t) (t)
 
e y y
(3.29)
Từ biểu thức (3.25), (3.28) và (3.29) suy ra:
y x
(t) (t)

e Ce
.




6

.
x Ax Bu
y Cx


 





(1.67)
Chọn một luật điều khiển có dạng:
( )
u r Kx
 
(1.68)
Thay phương trình (1.68) vào phương trình (1.67) được:
.
( )
x A BK x Br
  
(1.70)
Trong phương trình (1.70), ma trận (A-BK) là ma trận hệ
thống vòng kín.
Với hệ thống được mô tả bởi phương trình (1.67) và sử
dụng phương trình (1.55), phương trình đặc trưng cho bởi (1.55)
Nghiệm của phương trình (1.71) là các điểm cực vòng hở
hay các giá trị riêng. Với hệ thống vòng kín được mô tả bởi phương
trình (1.70), phương trình đặc trưng là:


0
sI A BK
  
(1.72)
Nghiệm của phương trình (1.72) là các điểm cực vòng kín

hay các giá trị riêng.

1.7.3. Bộ quan sát trạng thái.
Trong mục 1.6.2, việc thiết kế phản hồi đã được thảo luận,
với giả thiết rằng tất cả các biến trạng thái đều có giá trị với
phương trình điều khiển cho quy tắc:
( )
u r Kx
 

Khi r=0
u Kx
 
(1.73)
Bộ quan sát trạng thái bậc đầy đủ sẽ ước lượng tất cả các
biến trạng thái của hệ thống. Tuy nhiên, có thể ta chỉ cần đo đạc
một số biến trạng thái thôi. Điều này dẫn đến việc giảm bậc của bộ
quan sát trạng thái. Tất cảc các bộ quan sát đều sử dụng mô hình
toán để tạo ra một ước lượng
x

của vecto trạng thái x.
Do các động học quan sát sẽ không thể bằng một cách chính
xác động học của hệ thống, sự dàn xếp vòng hở này có nghĩa rằng x



7
và
x


sẽ khác nhau dần. Tuy nhiên, một vector đầu ra
y

được thiết
lập và bị loại trừ từ vector đầu ra thực tế y, sự khác nhau có thể
được sử dụng, trong trường hợp vòng kín, để sửa đổi động học
quan sát sao cho sai số đầu ra (y-
y

) là nhỏ nhất. Sự dàn xếp này,
đôi khi gọi là quan sát Luenberger (1964).
Hệ thống định nghĩa bởi (1.67) với giả thiết giá trị ước
lượng của vector trạng thái là:
e
x Ax Bu K y C x
  
 
   
 
 
•
(1.76)
trong đó K
e
là ma trận khuếch đại quan sát, với
( )
x x



là
vector sai số e thì:
 
e
e A K C e
 
•
(1.77)
và từ phương trình (1.76), phương trình quan sát trạng thái
bậc đầy đủ là:
( )
e e
x A K C x Bu K y
 
   
•
(1.78)
Do đó từ phương trình (1.77), hoạt động động học của
vector sai số phụ thuộc vào giá trị (A-K
e
C).
1.7.4. Giảm bậc bộ quan sát trạng thái.
Một bộ quan sát trạng thái bậc đầy đủ ước lượng tất cả các
trạng thái, bất kể chúng được đo hay không. Trong thực tế, có lẽ
theo lô gíc sử dụng một kết hợp các trạng thái đo được từ y=Cx và
các trạng thái quan sát được (đối với những biến trạng thái mà hoặc
có thể không đo được, hoặc đo được mà không có độ chuẩn xác
đầy đủ). Nếu véc tơ trạng thái có bậc n và véc tơ đầu ra đo được có
bậc m, thì chỉ cần thiết kế một bộ quan sát trạng thái bậc (n-m).

16

Cách tiếp cận đơn giản nhất đối với bộ tạo dư là việc sử
dụng sự lặp lại hệ thống. Đó là hệ thống F
1
được tạo ra giống hệt
đối với mô hình hệ thống gốc và tín hiệu z(t) là đầu ra mô phỏng
của hệ thống, vì vậy phần dư r(t) là sự khác nhau giữa z(t) và y(t).
Điều bất lợi của mô hình này là độ ổn định của bộ mô phỏng không
được đảm bảo khi hệ thống đang được giám sát không ổn định. Một
phương án mở rộng trực tiếp đối với việc tạo dư dựa vào bộ mô
phỏng là thay thế bộ mô phỏng bằng một bộ ước lượng đầu ra, như
minh hoạ trong hình 3.2.

Hình 3.2: Cấu trúc tổng quát của bộ tạo dư bằng ước
lượng tín hiệu ra

3.4.3. Phương pháp tạo dư dựa vào bộ quan sát trạng
thái
3.4.3.1 Bộ quan sát trạng thái Luenberger trong điều kiện
không có lỗi
Hệ thống
H
y
(s)
H
u
(s)
Đầu vào
u(s)
Đầu ra
y(s)
Nguồn dư
+
+



15
diễn trong (3.20), (3.21) có thể được coi như là một thiết bị quan
sát trong hệ giả định:
0 h
(t) (t) (t)
 

z A z u

(3.22)
h
(t) (t)

y Mz
(3.23)
với u
h
(t) = P[Bu(t) - D
0
y(t)] là đầu vào giả định và y
h
(t) =
Hy(t) là phép đo giả định. Điều này được sử dụng để tính hệ số
khuếch đại D
1
giống như nghiệm của bài toán đánh giá ước lượng
tối ưu trạng thái. Bài toán đánh giá tối ưu trạng thái có nhiều cấu
trúc khác nhau tuỳ thuộc vào tốc độ hội tụ và tư duy xây dựng (theo
hệ hở, theo hệ kín).
3.4.2. Phương pháp tạo nguồn dư và điều kiện định
vị sự cố.
Phương pháp phát hiện lỗi truyền thống là sử dụng việc
kiểm tra, so sánh sự thay đổi qúa trình với các giới hạn đặt trước
(ngưỡng cố định hoặc ngưỡng thay đổi); vượt quá giới hạn biểu thị
một vị trí lỗi. Mặc dù đơn giản, nhưng phương pháp này có một số
hạn chế thực sự, trong đó các thay đổi quá trình có thể không ổn
định với các trạng thái hoạt động khác nhau, vì vậy giới hạn kiểm

tra phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của quá trình. Ngược lại,
lượng các tín hiệu phần dư biểu diễn sự mâu thuẩn giữa sự thay đổi
hệ thống thực tế và mô hình toán học. Chúng độc lập với trạng thái
hoạt động hệ thống và chỉ phản ứng đối với lỗi, dẫn đến việc phát
triển trực tiếp của phương pháp kiểm tra giới hạn.










Hình 3.1: Cấu trúc tín hiệu bộ tạo nguồn dư
Hệ thống
F
1
(u,y) F
2
(u,y)
z(t)
Đầu vào
u(t)
Đầu ra
y(t)
Nguồn dư
r(t)

8


CHƯƠNG II: VAI TRÒ CỦA BÀI TOÁN
PHÁT HIỆN, ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRONG MẠNG
QUẢN LÝ VIỄN THÔNG

2.1 Giới thiệu TMN.
Mạng quản lý viễn thông (TMN) cung cấp khung công việc
cho các mạng lưới một cách linh hoạt, có thể đánh giá, tin cậy với
chi phí khai thác bảo trì thấp và dễ dàng phát triển nâng cấp. TMN
cung cấp cho các mạng nhiều năng lực và hiệu quả bằng việc đưa
ra các quy định chuẩn cho các hành động điều hành mạng và truyền
thông qua các mạng. TMN cho phép xử lý phân bố đến các mức
chính xác để đánh giá, tối ưu hiệu quả khai thác và truyền thông
hiệu quả. Các nguyên lý TMN là cùng phối hợp chặt chẽ vào mạng
viễn thông để phát và thu thông tin từ mạng và quản lý điều hành
các nguồn thông tin đó. Mạng viễn thông được cấu tạo từ các hệ
thống chuyển mạch, các kênh truyền dẫn, các thiết bị đầu cuối, . . .
2.2 Chuẩn TMN.
TMN sử dụng các nguyên tắc hướng đối tượng điều
hành và các giao diện chuẩn xác định truyền thông giữa các thực
thể điều hành trên mạng. Chuẩn giao diện điều hành dành cho
TMN được gọi là giao diện Q3. Kiến trúc TMN và các giao diện
được định nghĩa trong chuỗi các khuyến nghị M.3000, được xây
dựng trên cơ sở các chuẩn kết nối các hệ thống mở (OSI - Open
System Interconnection) hiện hành.

2.3 Mô hình chức năng TMN.
TMN cho phép các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đạt
được kết nối liền với nhau và truyền thông qua các hệ thống khai
thác và các mạng viễn thông. Kết nối liền với nhau được các giao
diện chuẩn thực hiện, sao cho tất cả các nguồn được điều hành như
là các đối tượng.



9
2.3.1 Chức năng quản lý hiệu năng.
Cung cấp hoạt động với khả năng kiểm soát và tiêu chuẩn
để đánh giá sự liên tục của tài nguyên mạng để phân tích sự đánh
giá đó và tạo ra sự điều chỉnh để cải thiện hoạt động mạng. Quản lý
hiệu năng bao gồm 4 nhóm chức năng cơ bản: giám sát, điều khiển
quản lý, phân tích và đảm bảo chất lượng đặc tính.
2.3.2 Chức năng quản lý sự cố.
Quản lý sự cố là tập hợp các chức năng cho phép phát hiện,
cô lập và sửa các sự cố những hoạt động không bình thường của
mạng viễn thông và môi trường của mạng. Bao gồm 3 chức năng
chính: giám sát cảnh báo, định vị và cô lập sự cố, giải trừ sự cố và
đo thử kiểm tra.
2.3.3 Chức năng quản lý cấu hình.
Quản lý cấu hình thực hiện việc lập kế hoạch và cài đặt NE,
liên kết NE với mạng và hình thành những dịch vụ khách hàng sử
dụng mạng. Theo khuyến nghị M3400 (1992) của ITU-T việc quản
lý cấu hình được chia làm 3 nội dung chính: cung cấp; trạng thái và
điều khiển NE; và cài đặt NE.
2.3.4 Chức năng quản lý tài khoản.
Cung cấp việc thiết lập các chức năng cho phép việc sử

dụng dịch vụ mạng được đo đạc và giá thành cho việc sử dụng
được xác định.
2.3.5 Chức năng quản lý bảo mật.
Đây là chức năng cung cấp và đảm bảo khả năng truy cập
an toàn tới các chức năng và năng lực của các NE, cung cấp khả
năng truy cập an toàn tới các thành phần thuộc hệ thống TMN.
2.4. Phân tích chức năng của TMN theo lý thuyết
hệ thống.
Có thể hiểu rằng TMN quản lý TN thông qua việc quản lý
các động học cơ bản thiết lập xung quanh các nút mạng. Nếu xem
nút mạng là một máy tính chuyên dụng thực hiện chức năng truyền
thông chính xác thông tin theo đúng địa chỉ dưới sự điều khiển
thích hợp dựa trên cơ sở 3 bus truyền thống (bus địa chỉ, bus dữ
liệu, bus điều khiển) của CPU thì thực chất việc TMN quản lý TN



14
khi hệ thống không có sự cố và khác 0 khi có ít nhất một phần tử
của hệ thống gặp sự cố. Bài toán TMN định vị sự cố khi một trong
các thành phần tài nguyên mạng TN có sự cố trở thành bài toán tạo
nguồn dư và xác định điều kiện tồn tại hệ nghiệm duy nhất.
Vì các sự cố do các đầu đo biến phản ánh có thể được mô tả
theo các sự cố do cơ cấu chấp hành phản ánh nên hệ thống có thể
được mô tả trong không gian trạng thái như sau:
k
.
i i
i 1
(t) (t) (t) (t)

m

  

x Ax Bu L
(3.18)
y(t) (t)

Cx
(3.19)
với, các ma trận A, B, C có kích thước phù hợp và L
i
dùng
để tạo tổ hợp tuyến tính tín hiệu từ các đầu đo biến.
Rõ ràng là từ thiết bị mô tả bởi (3.18) và (3.19), qua tín
hiệu đầu ra y(t), có thể phát hiện được liệu hệ thống đang hoạt động
bình thường hay đã có sự cố nhưng chưa định vị được sự cố. Để
định vị được sự cố xảy ra, trước tiên phải mã hoá các vị trí đặt đầu
đo biến và tạo ra một tập các vector dư r
i
(t), i  p với các đặc tính
sau:
- Khi không có sự cố, tất cả số dư r
i
(t) giảm tiệm cận tới 0,
r
i
(t) = 0, i  p.
- Khi có sự cố ở vị trí thứ i thuộc tập mã j, các số dư tại vị
trí đó sẽ khác không, r

i
(t)  0, i
j
, và các số dư khác r

(t) giảm
tiệm cận tới 0, r

(t) = 0,  p-
j
. Qua tập mã 
j
 p, j k có thể
nhận biết được số dư nào bằng 0, số dư nào khác 0 và vì vậy, có thể
định vị chính xác các sự cố.
Có thể mô tả động học của nguồn tạo dư như sau:
0 0 1
.
(t) (t) (t) (t) (t)
   
w A w PDy Gu Dr
(3.20)
(t) (t) (t)
 
r Mw Hy
(3.21)
Và thấy rằng bằng cách chọn D
0
và H thích hợp, có thể thay
đổi các đặc tính quan sát được của (HC, A + D

0
C) sao cho sự cố do
cơ cấu chấp hành thứ hai phản ánh không hiện diện trong số dư.
Tiếp đó, bằng cách đưa số dư r(t) trở lại vào bộ lọc, có thể thay đổi
phổ của nguồn tạo dư như mong muốn. Nguồn tạo dư được biểu



13
Hãy cấu trúc mô hình toán học


nnn
,, CBA
, mô tả gần
đúng động học của TMN để quản lý


mmm
,, CBA
của mạng TN
sao cho:
- Đáp ứng yêu cầu quản lý theo tiêu chuẩn trong khuyến
nghị M.3400,
- Không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ và hiệu
năng của mạng TN.
Bài toán đã cho như trên chứng tỏ rằng mạng TMN quản lý
mạng TN thông qua việc quản lý các động học xảy ra trên mạng
TN.
3.3. Xây dựng bài toán phát hiện và định vị sự cố.

Trên một mạng TN có M các đầu đo biến và các bộ biến đổi
khác nhau nằm rải rác trên TN dùng để cung cấp dữ liệu cần thiết
về sự cố trong quá trình hoạt động của TN cho TMN. Tuy nhiên, để
TMN ra những quyết định xử lý chính xác và điều khiển kịp thời
đối với TN, phải có giải pháp để TMN nhận biết vị trí của các đầu
đo biến tương ứng. Bài toán định vị tín hiệu sự cố thu nhận từ các
đầu đo biến hoặc từ các bộ biến đổi khác nhau nằm trên TN được
phát biểu như sau:
Cho u
i
(t), i = 1, , M, là tín hiệu khởi nguồn từ các đầu đo
biến đại diện cho các tham số thích hợp về sự hoạt động của các
thành phần cấu thành tài nguyên mạng TN. Hãy xác định mô hình
toán học mô tả động học của quá trình định vị những tín hiệu sự cố
thu nhận đó trên mạng.
k
.
i i
i 1
(t) (t) (t) (t)
m

  

x Ax Bu L
(3.16)
y(t) (t)

Cx
(3.17)

3.4. Giải bài toán
3.4.1. Cơ sở lý luận
Ta giới hạn việc tìm nghiệm của bài toán định vị sự cố.
Định vị sự cố đã được nghiên cứu, ứng dụng trong các hệ thống
điều khiển và thường sử dụng bộ tạo nguồn dư sao cho có giá trị 0



10
là quản lý các động học của CPU và các thiết bị kèm theo. Như
vậy, để nhìn nhận và đánh giá TMN, một số vấn đề liên quan đến
các động học cơ bản đối với các chức năng của TMN cần được xác
định trên cơ sở lấy CPU của nút mạng làm hạt nhân.
2.4.1. Vấn đề thu nhận các dữ liệu
Các tham số đặc trưng cho sự hoạt động của nút mạng và
đặc trưng cho sự hoạt động của các phần tử khác hợp thành tài
nguyên mạng.
2.4.2. Vấn đề xác định vị trí và nhận dạng tín hiệu
thu nhận
Tất cả các tham số thu nhận đều được TMN xác định vị trí
xuất phát. Khi dữ liệu nhận được từ các vị trí thuộc lĩnh vực quản
lý bảo an thông tin thì TMN tiến hành nhận dạng khoá bảo mật một
cách thích hợp. Đôi khi TMN còn có thể tìm hiểu chi tiết nội dung
thông tin.
2.4.3. Vấn đề điều khiển và bộ điều khiển giảm bậc
Trên cơ sở các tham số dữ liệu thu nhận sau khi đã được
xác định vị trí và nhận dạng thông tin, bài toán yêu cầu TMN ra
quyết định thích hợp để điều khiển mạng TN về việc phân bố tài
nguyên, xác định tuyến kết nối mạng, tính ưu tiên trong dịch vụ

được đặt ra. Như vậy, TMN chẳng qua là một bộ điều khiển và
mạng TN là đối tượng điều khiển. Thêm vào đó, liên quan đến cấu
trúc của bộ điều khiển (TMN), đôi khi được đặt ra vấn đề là tìm
giải pháp để đơn giản hoá cấu trúc của TMN nhưng vẫn đáp ứng
yêu cầu về việc ra quyết định một cách thích hợp để điều khiển TN.
2.4.4. Vấn đề ảnh hưởng qua lại giữa TMN và TN
Những vấn đề đặt ra ở trên khi phân tích chức năng của
TMN theo quan điểm của lý thuyết hệ thống có thể kết hợp thành
các bài toán phụ để giải quyết bài toán về xây dựng cấu trúc TMN.
Đó là Bài toán cung cấp cho TMN dữ liệu về trạng thái lưu lượng
trên TN (một dạng đặc biệt của các đầu đo biến); Bài toán phát hiện
và định vị tín hiệu sự cố thu nhận; Bài toán xử lý cuộc gọi; Bài toán
bảo mật thông tin và Bài toán xác định tham số của bộ điều khiển
giảm bậc.




11
2.5. Vai trò của bài toán phát hiện, định vị sự cố
trong TMN.
Bài toán phát hiện và định vị sự cố mạng viễn thông tham
gia vào thực hiện chức năng dịch vụ quản lý sự cố của hệ quản trị
mạng viễn thông, ngay từ công đoạn xây dựng cấu trúc mạng
TMN. Để quản lý sự cố đối với một mạng TN cho trước, TMN
thực hiện 4 hoạt động chính như đã nêu ở phần trên. Đó là giám sát
cảnh báo (kiểm tra tức thời về chi tiết, mức độ, thời điểm xảy ra sự
cố, v.v… để phân tích sự kiện sự cố trên mạng, thay đổi các trạng
thái, hiển thị cảnh báo và kiểm tra đăng nhập), định vị sự cố (để xác
định nguyên nhân, phân biệt sự cố mạng và các phần tử), giải trừ sự

cố và đo thử. Như vậy, phát hiện và định vị sự cố mạng viễn thông
đóng vai trò rất quan trọng đối với việc xây dựng cấu trúc mạng
quản lý viễn thông (cung cấp các thông tin về trạng thái hoạt động
của mạng, nhất là trạng thái hoạt động không bình thường) nhằm
phục vụ công tác quản lý điều hành, khai thác sử dụng, khắc phục
sự cố để nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng mà
mạng quản lý TMN hướng tới.

CHƯƠNG III: THỰC HIỆN BÀI TOÁN PHÁT
HIỆN, ĐỊNH VỊ SỰ CỐ

Trên quan điểm của lý thuyết hệ thống, có thể thực hiện mỗi
chức năng quản lý của mạng TMN theo khuyến nghị M.3400 của
ITU-T một cách độc lập hoặc thực hiện tích hợp các nhóm nhu cầu
quản lý, tùy thuộc vào qui mô của mạng TN. Một vấn đề quan
trọng trong quá trình nghiên cứu, triển khai TMN là việc mô hình
hoá các phần tử tài nguyên mạng TN dưới dạng các đối tượng động
học cần quản lý. Vì thế chương này trình bày phương pháp áp dụng
lý thuyết hệ thống trong việc xây dựng mô hình toán học mô tả
mạng TN để trợ giúp cho việc xây dựng bài toán đánh giá tham số
TMN. Việc xây dựng mô hình toán học mô tả mạng TN thành việc
xây dựng các bài toán điển hình mô tả động học trong các nút mạng
và trên các đường truyền.



12
3.1. Một số định nghĩa, bổ đề và định lý liên
quan.
3.2. Lựa chọn các biến số mô tả động học.

Như đã nói ở chương I, mỗi hệ động học tuyến tính, bất
biến theo thời gian có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) đều
có thể mô hình hóa theo tham số trong không gian trạng thái theo
(1.30) và (1.35). Khi hệ động học phi tuyến được tuyến tính hoá
bởi sự biến thiên của tham số theo thời gian, lúc đó biểu thức (1.30)
và (1.35) trở thành:
.
0 0
(t) (t) (t) (t) (t), (t )
  
x A x B u x x
(3.10)
(t) = (t) + (t)
y Cx Du
(3.11)
trong đó, các vector và ma trận tham số có kích thước giống
như đã được kích thước hoá trong các biểu thức (1.30) và (1.35).
Các hệ thống tồn tại trong thực tế đều chứa đựng tính phi
tuyến nên mô tả toán học chung nhất trong không gian trạng thái
như sau:
 
.
1
(t) (t), (t),t
x f x u
(3.12)


2
(t) (t), (t),t

y f x u
(3.13)
Các biến số được chọn để mô tả động học của dòng thông
tin u
i
(t) tại cửa vào i của mạng TN qua cơ chế xếp hàng chờ để
được xử lý và bị trễ do quá trình truyền thông và điều khiển của
mạng cho tới khi được chuyển đến đầu ra j trở thành y
j
(t) tương
ứng gồm các biến trạng thái, biến kích thích và các hàm f
1
(.), f
2
(.).
3.2. Phát biểu bài toán mô hình hoá mạng TN.
Giả sử mô hình toán học mô tả gần đúng (tuyến tính hoá)
động học xảy ra đối với


mmm
,, CBA
, một mạng TN có K nút và L
đường kết nối các loại được cho bằng mô hình toán học như sau:
.
m
m m m m
(t) (t) (t)
 x A x B u
(3.14)

m m m
(t) (t)

y C x
(3.15)