无线区域网路基地台之可靠度分析与评估.docx
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无线区域网路基地台之可靠度分析与评估
無線區域網路基地台之可靠度分析與評估-以IEE802.11gAccessPoint為例
張起明
國立交通大學機械工程系所
王順正
國立交通大學理學院應用科技碩專班
摘要
研討會論文請依照本說明要求之格式寫作,建議下載大會所預備之格式檔案(MSWord),以利作者直接選用設定好之樣式編輯,將可節省您編輯的時間,並減少格式的錯誤。
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1.品質學會:
http:
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2.修平技術學院:
http:
//mrp3.ie.hit.edu.tw/conference/ie_reliability/
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論文截稿日期為2005年7月20日。
關鍵詞:
研討會論文集,論文格式
6thReliabilityandMaintainabilitySymposiumProceedingsFormatDescription
Author1,Author2
Organization1
Author3,Author4
Organization2
ABSTRACT
Thisdocumentprovidesauthorswithinformationonpreparingthepaperforthe6thReliabilityandMaintainabilitySymposiumProceedings.Thissampledocumenthasbeenformatted(byMSWord)foryourimmediateapplicationandcanberetrievedfromthefollowingwebsites.
1.ChineseSocietyForQuality,http:
//www.csq.org.tw/
2.FengChiaUniversity,DepartmentofIE,http:
//mrp3.ie.hit.edu.tw/conference/ie_reliability/
Papersforthisproceedingsdueonthe30th,July2005.
Keywords:
SymposiumProceedings,format
國科會或國推會研究計劃編號:
XXX-XXX
簡介(Introduction)
1.研究目的與研究重要性:
近年來,由於產業競爭日益激烈,尤其在電子業方面的產品品質相對地要求提高,當產品在研發階段時,可靠度即成為影響產品品質的主要因素,而且關係著產品是否能夠順利生產及推出,所以可靠度即成為研發階段的品管,亦成為開發產品時的主要考量因素。
由於最近網際網路的普及,許多資訊都藉由網路傳遞,人類生活上對網路的依賴性大幅增加。
再加上近年來無線網際網路技術的精進使得生產成本降低,又具有輕薄短小與無所不在的方便性。
所以網路通訊於是從有線邁入無線,無線區域網路系統(wirelessLANsystem)的使用由企業普及到一般的家庭。
但也因為它的普及與人類依賴性的增加,wirelessLANsystem產品的可靠度自然也成為決定產品品質的關鍵[1]。
一般而言,wirelessLANsystem可分為客戶端(client)與主機端(host),客戶端即一般的無線網卡(WLANcard)或手持式行動電話(cellphone),主機端則是指機地台(accesspoint)。
因為目前行動電話受到通訊頻寬與處理器速度的限制,所以較少用在上網工作(如上傳下載資料),僅用於單位的通信工作。
而一般的無線網路卡與基地台因為筆記型電腦(notebook)與掌上型電腦(PDA)的普及,本身體積小功能強的特性,加上免除網路線佈線工程的成本,促成了無線網路的蓬勃發展。
因為client端本身只是透過無線網路,將server上分享(share)的資源作讀取、儲存的工作,一些複雜處理與運算的工作可透過無線網路,將資料傳送到server上,處理完後再送回客戶端(如圖1-1)。
所以相當適合大企業使用,因為可以節省許多成本與系統維護費用。
而且在價格與性能方面,因為所採用的硬體架構簡單,且基地台體積小所佔空間少,所以構成功能強且少故障的WLAN區域網路,相當經濟與實用。
對大企業來說,無非是節省成本的良策,所以相當值得推廣與研究。
但是在目前有關無線網路可靠度方面的期刊與論文,大多以研究電子元件(components)或通訊協定(protocol)為主(suchasIEEEIJQRM),較少有無線區域網路系統方面整合性的研究文獻,加上人們對無線網路使用率與依賴性日益提高,無線區域網路系統一旦故障,將對許多人造成相當大的不便與困擾,所以如何提高無線區域網路系統的可靠度,是相當值得投入研究的一個領域[1]。
文獻探討(LecturesSurvey):
1.無線區域網路系統(WirelessLANSystem;WLANSystem)定義:
國際電子電機工程師學會(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,IEEE)於1997年至1999年即陸續通過IEEE802.11及IEEE802.11a、IEEE802.11b[4]無線區域網路標準的制定,並在2003年也正式確立IEEE802.11g標準,各大廠商也陸續推出各種無線通訊零組件,設備以支援各項標準。
IEEE802.11是目前使用最廣的無線區域網路通訊協定,它將基本的無線區域網路稱為BSS(BasicServiceSet),而依組成方式的不同又可分為基礎建設模式(InfrastructureBasicServiceSet,又稱InfrastructureMode)及簡易模式(IndependentBasicServiceSet,IBSS,又稱AdhocMode)兩種。
AdhocMode是一種純粹的無線區域網路運作架構,此模式採用點對點的通訊方式,數個無線區域網路裝置所形成的移動端點(mobilenode)可以互相連接通訊與傳遞資料,而不需架設無線網路基地台作中介裝置。
由於無需依賴基地台的資料轉送,無線裝置可以隨時隨地自己形成一個無線通訊網路,適用於臨時需要彼此通訊,而且僅是點對點傳輸的場合,但也因為不經由基地台轉送,通訊範圍較有小,亦無法連上有線端的網際網路(internet),且由於Adhocmode網路並沒有固定的網路拓樸,所以幾乎都在任何地點形成獨立運作的區域網路,而且網路是由數個無線裝置行動點自行溝通組成通訊網路,並無中央控制的管理者存在,因此網路管理人員難以對此種網路架構作適當監控。
因此在一般環境下實用性較差,故不加以討論。
在基礎建設模式架構中,BSS可以藉由在傳統有線區域網路中,用架設無線區域網路基地台(AccessPoint,AP)的方式,直接透過基地台轉傳送(forward)有線與無線網路間傳遞的資料,可將BSS連接上傳統有線網路,形成一個網路系統(DistributionSystemLAN,DSLAN),並可以使用此種方式結合多個BSS與有線網路,組成延伸服務模組。
(ExtendedServiceSet,ESS)。
ESS是為了擴展無線區域網路的服務範圍,藉由此種設置方式,使用者可以在不同的無線區域網路基地台的通訊範圍之間進行漫遊(Roaming),但網路連線不至於中斷,適合大範圍的網路通訊運用。
基礎建設模式下的無線區域網路則是建構在有線網路上,透過基地台的連接,網管人員可以掌握基地台與無線區域網路中各種行動裝置的運作情形,以達到各種網路管理與提高系統可靠度的目的。
而目前網際網路的使用相當普遍,無線區域網路的建設也以基礎建設型的網路架構為主,因此本研究將針對此種網路模式作探討,本文所提之無線區域網路亦是專指Infrastructure模式之無線區域網路架構。
2.可靠度之定義
可靠度的英文為Reliability,即為可信賴之能力,如果就計量值上的考量,則可以翻為可信賴度,簡單稱為信賴度或可靠度。
習慣上,如果只關心產品可以信賴的特質,則可翻譯成信賴性或可靠性。
從最簡單而通用的型式來看,可靠度是一種成功的機率。
可視為一種用機率來描述系統、裝備或產品組件品質水準的指標。
所以ASQC、ISO8402與IEC271等都有對可靠度下不同的定義或說法,幾乎大同小異。
例如針對機械元件方面,則定義出可靠度就是機械元件的耐受強度大於所承受應力的機率。
即完成目的或任務成功比率或成功機率(還能夠完成目的或任務的能力)。
還有定義指出,可靠度就是還有殘存可用的壽命或時間的機率或是從一開始,在使用環境條件下執行功能而不失效的時間。
另外根據AGREE,則有一個較為明確且廣泛接受的定義如下:
『可靠度是指一產品(系統或裝備)於期望的壽命時間內與所規定的使用環境條件下,執行其預期功能而不產生故障、失效的機率』。
要完整地確定產品或系統的可靠度,應先確定以下四個條件也是定義所說明了可靠度要有的四項重點,即期望的產品壽命時間,產品規定的使用環境,產品應達成的功能,以及產品不故障或失效機率。
要描述可靠度,這四個重點缺一不可。
(一)規定的使用環境條件(Operatingconditions):
在產品或系統的使用過程中,都會受到內外在環境所造成應力的影響。
典型的情況如:
溫度、溼度、鹽霧、震動、撞擊、壓力、拉力、剪力、電壓、電流與輻射等因素。
根據經驗顯示,每個使用環保條件對功能上都有一定的影響。
因此需要在使用前加以了解,設法消除或減少使用環境條對產品所造成的影響。
(二)預期達成的功能(Adequateperformance):
任何產品在使用的過程中都會展現潛在的功能,但是基於可靠度的考量,我們必須明確訂定出產品應該發揮功能的程度,才算是成功或滿意,所以要建立判定失效的標準(Failurecriteria),以便明確地指出、敘述或定義「什麼是產品的成功或失敗,產品令人滿意的結果為何」但是產品的機能通常都會隨著時間而改變,其功能為成功或失敗只是一線之隔,很難明確加以界定。
所以只能清楚描述失效模式,在可靠度方面就會常利用機率值加以量化。
(三)期望的壽命時間(Time):
一項產品的使用要考量到時間的因素,因為自然界中的物質容易因時間而衰變,使用愈久愈不可靠。
如一架戰鬥機飛得愈久,其作戰後安全返航的機率就減少。
因此在壽命時間內,我們才可期望某種程度的功能。
界定可靠度時要先確定產品的期望壽命時間(任務時間)才有意義。
如果使用時間超過產品的壽命期(Usefullifeperiod),則可靠度的要求就無意義。
(四)機率(Probability):
可靠度本身因為是個機率值,所以我們要用機率與統計的方法界定出產品可靠度的機率函數或數值,一般可由實驗得到。
所以將產品中抽象的可靠度用明確的機率值表示,我們將可得到一個明確的尺度,以做為工程上比較、選擇、保證、管理與改進的參考。
因為可靠度就是用來衡量產品可靠程度的指標,在不同的功能場合或目的,量測的功能指標的參數也會不同,所以目前的趨勢就是將可靠度指標當成時間的函數,常用的指標有四種:
(一)可靠度R(t):
因為可靠度是時間的機率函數,所以可寫成0≤R(t)≤1。
由於成功與失敗是互斥事件,所以可靠度與失效率兩者機率值的和為一:
R(t)=1-F(t),F(t)為不可靠度,也就是失效率。
(二)失效率λ(t):
失效率就是某產品工作到某特定時間點,在這個特定時間點之後失效的機率,或是在某一特定時間點,失效的產品個數與產品總數的比值。
常用的單位為次/1000小時或是次1000000小時,對於高可靠度的零件則採用菲特(Fit;即failureunit)為單位,1菲特=次/1000000000小時。
(三)平均壽命(MTBF&MTTF):
把所要衡量的產品概略分為可修護的系統產品與故障就更換的元件產品兩大類。
所以在可靠度的壽命指標上,可維修的產品為平均故障間隔時間(meantimebetweenfailure;MTBF),故障發生後就丟棄的不可維修元件類產品為平均到達失效時間(meantimetofailure;MTTF)。
(四)可維護度M(t):
根據產品停機維修時,使產品復原難易的狀況來做為可靠度的衡量,一般都是用在系統。
既然可靠度是指某一系統、產品或裝備在規定的使用環境條件下與特定的時間內,能順利完成預定任務的機率。
所以根據上述定義,可靠度為一個時間的函數,其數學模式可以機率的形式加以表示,數學方程式如下[16]:
設有
個樣本組件加以測試,在時間t後,有
個組件仍完好,其餘
個為故障,則組件經過t時間的可靠度R(t)為
R(t)=
相對的累積故障機率函數F(t)為
F(t)=
因為成功與失敗機率的值相加為一,所以
R(t)+F(t)=1。
當測試由時間t增加至t+Δt時,在此時間內有Δ
個組件發生故障,因此f(t)為單位時間故障發生的次數,為一個機率密度函數(probabilitydensityfunction),
而(Δ
/Δt)*(1/
)為單一組件單位時間故障發生的次數,因此組件故障時間之機率密度函數(probabilityfailuredensityfunction)f(t)為:
f(t)=
[(1/
)/(Δ
/Δt)]
=-
=-
而且
=
R(t)
其中F(t)為故障累積分佈函數(failurecumulativedistributionfunction),由統計理論可得
R(t)=1-F(t)=1-
=
=>f(t)=-
3.故障間隔時間(MeanTimeBetweenFailure;MTBF)
可靠度最常用的參數之一為產品的期望壽命(ExpectedLife),而對於可修復系統則稱為平均失效間隔時間(MeanTimeBetweenFailure,MTBF),不可修復系統則稱為平均失效時間(MeanTimetoFailure,MTTF),其數學上的定義為[17]︰
MTBF(MTTF)=
=-
=-t*R(t)|
+
所謂失效率(failurerate)即是在某一時間範圍(t1~t2)或單位時間(Δt)內,平均分配到每一單位時間的失效機率,但此一定義必須以在某
一時間點t1開始以前尚未失效為條件。
故失效率可表示如下式:
[R(t1)-R(t2)]/[(t1-t2)*R(t1)]
由上式可知,失效率為一時間函數。
如果將有關的時間範圍寫為[t,t+Δt],則式可改寫為︰
[R(t)-R(t+Δt)]/[Δt*R(t)]
=[R(t1)-R(t2)]/[(t1-t2)*R(t1)]
失效率函數(hazardfunction)或瞬間失效率(instantaneousfailurerate)的定義為:
當計算失效率所採用的時間間隔趨近於零時的極限值。
因此,失效率函數λ(t)可寫成:
λ(t)=
=
[-
]=
=
4.失效模式效應分析法(FailureModeandEffectAnalysis;FMEA)
FMEA是一門古老的的技術,因其對產品品質與可靠度有實質的助益,故持續應用於不同產業,並累積修正與改進,形成現時普遍使用型態,其演進大概的歷史為1950年,美國Grumman飛機公司首先提出FMEA,應用於飛機主要操控系統的失效分析工作。
1957年,波音(Boeing)與馬丁(MartinMarietta)公司正式在其工程手冊中列出FMEA之標準作業程序。
到了60年代初期,美國航空太空總署(NASA)將FMEA的系統方法成功地應用於航空太空發展計畫。
1974年,美國軍方出版軍用FMEA標準作業程序MIL-STD-1629,又於1980年改版為MIL-STD-1629A,它至今仍為全球重要之FMEA參考標準規範之一。
1985年,國際電工技術學會IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)修改MIL-STD-1629A,出版國際標準規範IEC-812。
此外,ISO9000及歐盟產品CE標誌,也將FMEA的方法運用視為重要的設計管計與安全分析方法。
1993年,在歷經長期的努力後,AIAG終於完成「潛在失效模式與效應分析參考手冊」。
藉由此份手冊的指導,汽車工業統一了
FMEA失效分析的標準作業程序與表格,並且奠定了FMEA在工業界的地位。
1995年,FMEA參考手冊完成修定二版,並成為SAE的正式技術文件SAEJ-1739。
2003年,高科技電子產業導入FMEA的方法。
例如,半導體業的產業特性為產品生命週期短、交期快,市場變動快、風險高、競爭對手多、價格競爭激烈、製程複雜、研發需求強、產品少量多樣化與技術能力密度高。
半導體晶圓製廠維持競爭優勢的關鍵之一即為製程技術、生產效率和產品良率。
將FMEA的手法導入於製程技術中,作為半導體製程技術研發與改善有極大的助益。
FMEA實施的時機可從產品的整體壽命週期來探討,大體來說FMEA可分成四個階段:
階段一:
設計導入階段(Design-In)。
階段二:
雛型開發階段(PrototypeorEngineeringSample)。
階段三:
製造生產階段(MassProductionorManufacture)。
階段四:
客訴階段(AfterService)。
階段
功能
設計導入階段(design-in)
1.發現所有可能的失效模式。
2.以現有技術進行設計變更。
3.決定是否採用高可靠度的零組件。
雛型開發階段(prototype)
1.找出明確失效原因並進行改善。
2.零組件用料之確認。
3.產品壽命,強度與功能確認。
製造生產階段(massproduction)
1.對製程缺失進行工程變更。
2.用FMEA制定標準作業規範。
客訴階段(afterservice)
用FMEA改善產品使用所產生的問題。
表2-1FMEA階段功能表
所以FMEA是一項以失效形態為討論重點的支援性與輔助性的可靠度分析技術。
利用表格方式來進行工程分析,使產品在設計階段與製程規劃時,早期發現產品可能出現的缺陷及影響程度以更即早提出解決之道。
FMEA是一種系統化之工程設計輔助工具,於QS9000中,因分析的對象不同,分成了「DesignFMEA」及「ProcessFMEA」。
FMEA為歸納法之應用,根據零組件的失效資料,由下而上推斷系統的失效模式及其效應,它是一種向前式推演的方法。
目前國際間採用FMEA之情況有:
1.ISO90048.5FMEA作為設計審察之要項,另外失效樹分析法(FTA)亦是。
2.CE標誌,以FMEA作為系統安全分析方法。
3.ISO14000的規範,以FMEA作為重大環境影響面分析與問題改進的方法。
4.QS9000以FMEA作為產品設計與製程失效分析方法。
4.卡方分配適合度檢定
假定失效數據服從某一機率分配(壽命或失效率的機率分配)而所求得其參數之估計方法。
分配的假定中,在許多的情形中雖然可以利用某種的事前資訊來設定,但實際上所獲得的數據是否可以套用在由事前資訊假定所建立之壽命機率分配,並不能完全加以保證。
因此,假定分配進行可靠性數據解析時,到底假定的壽命分配有無錯誤時,則有需要利用適合度檢定的方法進行確認。
壽命分配的統計檢定從以前就一直在研究及應用,一般常使用的檢定法有卡方(Chi-Squared)檢定以及Kolmogorov-Smirnov(以下簡稱K-S)檢定,將分別介紹於以下各小節當中。
4.1卡方適合度檢定
此統計量是由KarlPearson在1900年首先提出的,卡方統計量是個用途很廣的統計量,能夠應用在許多不同類型的檢定中,其步驟如下:
[14]
1.蒐集資料:
某一母體有C個不同的屬性{
…
},茲自此母體中隨機抽出n個樣本,令觀測值iOi表示資料具屬性iAi之觀測值個數,i=1.2…n=>n=ΣOi;(i=1..C)
2.檢定假設:
令F(x)為未知的母體分配函數以及為某一完全被表明的壽命分配函數,若F0(x)有某些參數未知,則可由樣本參數估計後代入。
3.檢定統計量:
令隨機變數X抽自此母體,並假設Pi.=P{X
Ai},在虛無假設H0下,X~F0(x),定義期望值iEi=nPi,i=1,2,….c,E之含意為H0為真時,資料屬性在Ai內之期望值個數,檢定統計量為:
χ
=
上式在可靠度工程中,為一般較常使用而且比較易於計算的式子。
4.拒絕域:
因檢定統計量χ
之精確分配不易求出,在應用上,需考慮大樣本。
4.2K-S適合度檢定:
在介紹K-S適合度檢定之前,需先定義經驗分配函數,而經驗分配函數的圖形為一階梯函數(Stepfunction),因此,若知X1 由於K-S適合度檢定的觀念即是利用經驗分配函數Fn(X)及假定分配函數F0(X)接近性,因此定義K-S適合度檢定統計量為 Dn=Sup|Fn(X)-F0(X)|=Max{|i/(n+1)-F0(Xi)|}; i=1,2…n 其中Fn(X)為累積觀測值 F0(X)為欲服從分配之累積失效函數 最後將Dn值與K-S檢定表,選擇冒險率α值和n值所對應到K-S檢定表中的d值互相比較後進行檢定,或與其他壽命分配之最大Dn比較,當Dn值愈小,則代表此壽命分配愈合適。 由此可知,K-S檢定是對所假定的累積分配函數設定D(n,α/2)的寬度,觀察數據是否落在此範圍的一種檢定方法。 所以可分別針對卡方適合檢定與K-S適合度檢定,比較歸納此兩種適合度檢定之差異。 1.K-S檢定能保有原始資料以形成機率或相對次數為依據,進行檢定。 而卡方檢定必須將資料離散化以便於分組,因此勢必會損失一些資料的訊息。 2.在小樣本的情形下,K-S檢定仍然適用,而卡方檢定卻不能使用。 3.K-S檢定使用時,必需要求在檢定假設下之分配F0(X)及參數完全被表明為已知,而卡方檢定之中F0(x)分配之參數可為未知,在進行檢定之前,先以適當的統計量估計參數代入後,即可執行此檢定。 5.故障樹分析(FaultTreeAnalysis,FTA) 故障樹分析(FaultTreeAnalysis,FTA)是以事見件符號、邏輯符號等相關記號,尋求會引起主要失效的因素間之邏輯關係,並配合布林代數計算主要失效的發生機率。 [13] 故障樹分析的起源是於1960年代初期,美國洲際飛彈MISSILE(
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