Tools and methods for system of systems applications in telecommunication networks

Abstract

As technology rapidly evolves, the different sets of people and machines are becoming increasingly complex. Thus, their problems and challenges cannot be addressed by the traditional systems’ theories and methods. However, System of Systems approach is presented as a candidate to fulfill the resultant gap. This Ph.D. Thesis discusses the System of Systems (SoS) concept adjustment into information and communication technology (ICT) relative fields. Recently, a significant interest was observed in the field of System of Systems. Particular attention has been paid on System of Systems Engineering[1]–[3] which deals with the development of tools, methods and solutions to the challenges of System of Systems. The System of Systems concept is extended to several scientific areas from defense systems [4], [5], global earth observation systems[6] , health care systems [7] to fire and disasters monitoring systems[8], [9]. Moreover in the last years, there has been a strong effort to implement System of Systems Engineering in the operation of enterprises [10]–[12].A formal definition has not yet been given to the System of Systems concept. Such entities can be described by a plethora of unofficial definitions[13], [14] that have been proposed in the past. However, for better understanding a SoS, one needs to clarify the characteristics that should be included in it.A System of Systems should consist of a number of operationally and managerially independent systems. The individual systems should be autonomous; that is to perform a standalone operation. On the other hand, the independent systems should be integrated in a higher level system (metasystem) to perform a mission/purpose for which each member plays an integral role. It should be noticed that the above collaboration should lead to capabilities beyond which any of the constituent member (sub) systems is independently capable of producing.Another main feature of System of Systems is that it is complex and as such exhibits a dynamic and emergent behavior. The increased complexity of System of Systems is mainly due to the capability of the constituent systems to operate independently. Hence, apart from co-operating, the systems could also compete for subtasks. Another factor leading to the complexity is the inability to predict the operation of a System of Systems since the latter is usually occurred in uncertain environments. Finally, the System of Systems is a dynamic entity, as new systems are added and current systems are replaced or removed. It is worth noting that a System of Systems does not have a defined final state. Hence, the concept of target architecture is meaningless since these systems are evolving, and thus constantly changing. Therefore, it is deduced that the design and development of System of Systems is a task far more complicated than creating a standalone system.In particular the first chapter of this thesis is presenting the key points covered from this work along with various details which in total describing the achieved contributions in the relative field of ICT.The second chapter is covering the Reliability analysis in Telecommunications networks using the SoS concept. More specific a FTTC network was used as a pilot in the context analysis formulated into SoS. The methodology is using a combination from reliability analyses and Probabilistic techniques coupled with sensitivity analysis, in order to encapsulate also the unknown risk. Third chapter discusses the adjustment of SoS concept over a telecom investment problem. An optimization study is revealed together with selectivity over strategies. An FTTH network was used, with the most updated data for pricing and market penetration. Main Purpose was to present all the useful information, which was revealed from the SoS optimization process.The fourth chapter goes into an in-depth analysis of an information system (IS) following again the SoS structural analysis. Human factor is involved and its proper analysis enhances reliability overall of the pilot study.Last chapter is presenting the SoS concept adjustment into the newer Smart Cities research field. IBM relative work is presented and the applications of the current Thesis findings are outlined. A real time risk analysis is presented using experience, tools and methods that were gained from the Ph.D. Thesis research effort.

Καθώς η τεχνολογία αναπτύσσεται ραγδαία τα διαφορετικά σύνολα ανθρώπων και μηχανών που συνιστούν τον πολύπλοκο τεχνολογικό κόσμο μας βρίσκονται αντιμέτωπα με μια ολοένα αυξανόμενη πολυπλοκότητα. Κατά συνέπεια τα προβλήματα και οι προκλήσεις δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά από τις παραδοσιακές μεθόδους και θεωρίες. Μολοταύτα, η θεωρία των System of Systems (SoS) εμφανίζεται ως μια εξαιρετική μέθοδος για να καλύψει τα συγκεκριμένα ερευνητικά κενά που δημιουργούνται στα συστήματα πληροφορικής και τηλεπικοινωνιών και ιδιαίτερα στα πλαίσια σχεδιασμού αποδοτικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων, το οποίο αποτελεί και το αντικείμενο της διατριβήςΠρόσφατα, παρατηρήθηκε ένα σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον στο πεδίο των System of Systems. Ιδιαίτερη σημασία έχει δοθεί στη μηχανική των SoS [1]–[3] η οποία ασχολείται με την ανάπτυξη εργαλείων , μεθόδων και παροχής ολοκληρωμένων λύσεων στα σύνθετα προβλήματα των SoS. Η αρχική ιδέα των System of Systems έχει αναπτυχθεί περαιτέρω από το αρχικό πεδίο ανάπτυξης των στρατιωτικών εφαρμογών [4], [5] όπως , παγκόσμια συστήματα γεω-επισκόπησης [6] , συστήματα φροντίδας υγείας [7] συστήματα πρόληψης φωτιάς και φυσικών καταστροφών [8], [9]. Επιπλέον, τα τελευταία χρόνια , γίνεται μια σημαντική προσπάθεια για την εφαρμογή της θεωρίας των SoS στη λειτουργία και διαχείριση των επιχειρήσεων [10]–[12].Επίσημος ορισμός , δεν έχει ακόμα επιδοθεί στην έννοια των System of Systems. Παρόλα αυτά οι πολύπλοκες αυτές οντότητες περιγράφονται από μια πληθώρα ανεπίσημων ορισμών [13], [14] ανάλογα με το πεδίο εφαρμογής και ανάπτυξης όλα αυτά τα χρόνια. Εντούτοις, για την καλύτερη κατανόηση των SoS, χρειάζεται να αποσαφηνιστούν τα επιμέρους χαρακτηριστικά της σύνθετης συστημικής οντότητας που ακολουθεί την έννοια των SoS .Ένα σύστημα συστημάτων (SoS) θα πρέπει να αποτελείται από έναν αριθμό συστημάτων, τα οποία έχουν λειτουργική και διαχειριστική ανεξαρτησία. Τα μεμονωμένα αυτά συστήματα θα πρέπει επίσης να είναι πλήρως αυτόνομα, ώστε να μπορούν να εκτελούν το σκοπό τους με αυτοτέλεια. Από την άλλη πλευρά, τα ανεξάρτητα συστήματα δύνανται να ολοκληρωθούν σε μια ανώτερη σύνθετη οντότητα με χαρακτηριστικά υπερ-συστήματος (metasystem), η οποία είναι ικανή να εκτελέσει έναν ανώτερο και πιο σύνθετο σκοπό/υπηρεσία σε σύγκριση με τους επιμέρους σκοπούς των αυτοτελών συστημάτων που το αποτελούν . Αξίζει επίσης να αναφερθεί ότι η περιγραφόμενη ολοκλήρωση των αυτόνομων συστημάτων σε υπερ-σύστημα δημιουργεί με τη σειρά της δυνατότητες πολύ παραπάνω από αυτές που μπορεί να έχει ή να παράγει κάθε επιμέρους αυτοτελές υποσύστημα. Ένα επίσης πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό των SoS είναι η πολυπλοκότητα και ως συνέπεια αυτής η εμφάνιση δυναμικής και αναδυόμενης συμπεριφοράς. Η αυξανόμενη πολυπλοκότητα των SoS οφείλεται κυρίως στη δυνατότητα των συστατικών συστημάτων να λειτουργήσουν ανεξάρτητα. Συνεπώς, εκτός από τη συνέργεια των συστημάτων συνίσταται και ένας αντίστοιχος ανταγωνισμός για επιμέρους καθήκοντα και λειτουργίες. Ένας επίσης παράγοντας που οδηγεί στην πολυπλοκότητα είναι η αδυναμία πρόβλεψης της μελλοντικής λειτουργίας του System of Systems , καθώς αναπτύσσεται σε ιδιαίτερα αβέβαιο περιβάλλον. Τέλος, ένα SoS, είναι μια δυναμική οντότητα , καθώς προστίθενται συνεχώς καινούργια συστήματα, ενώ παράλληλα υπάρχοντα συστήματα καταργούνται ή αντικαθίστανται. Είναι επίσης άξιο αναφοράς το γεγονός ότι ένα System of Systems δεν έχει τελική μορφή. Επομένως , η έννοια της βασικής και στοχευόμενης αρχιτεκτονικής είναι πλημμελής, καθώς τα υποσυστήματα εξελίσσονται και μεταβάλλονται συνεχώς με σκοπό τη βέλτιστη αρχιτεκτονική στις εκάστοτε ιδιαίτερες συνθήκες. Επομένως, προκύπτει ότι η σχεδίαση και η ανάπτυξη των SoS είναι μια προσπάθεια πολυπλοκότερη από τη διαχείριση και δημιουργία ενός απλού αυτόνομου συστήματος. Πιο συγκεκριμένα ,στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής εισάγονται οι σχετικές έννοιες , αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο, τα βασικά ερωτήματα και οι συνεισφορές της εργασίας στο σχετικό τομέα των ICT.Στο δεύτερο κεφάλαιο, εξετάζεται η ανάλυση αξιοπιστίας στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα μέσα στη θεωρία των SoS. Το προτεινόμενο πλαίσιο, είναι ένας συνδυασμός αναλυτικών και μαθηματικών μεθόδων αξιοπιστίας σε συνδυασμό με κατευθυνόμενους γράφους. Έχουν επίσης ενσωματωθεί μέθοδοι ευαισθησίας με σκοπό να αξιολογηθεί ποσοτικά ο αντίκτυπος των άγνωστων κινδύνων και γεγονότων. Στο τρίτο κεφάλαιο , μελετώνται προβλήματα σύνθετης βελτιστοποίησης με τη βοήθεια εξελικτικών αλγορίθμων στις τεχνολογίες τηλεπικοινωνιών και πληροφορικής. Ο σκοπός είναι να δημιουργηθεί ένα τρόπον τινά αυτοματοποιημένο σύστημα αποφάσεων με προβολή δέσμης ενεργειών. Ως πιλότος χρησιμοποιήθηκε ένα FTTH δίκτυο, με τα πλέον πρόσφατα δεδομένα τιμολόγησης και διείσδυσης στην αγορά εργασίας.Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια σε βάθος ανάλυση ενός πληροφοριακού συστήματος (IS) ακολουθώντας ξανά τη δομική ανάλυση των SoS, με την εισαγωγή του ανθρώπινου παράγοντα σε επιχειρησιακό περιβάλλον.Στο τελευταίο κεφάλαιο, συνοψίζονται τα κύρια σημεία της διατριβής μαζί με τα εργαλεία και τις μεθοδολογίες που αναπτύχτηκαν, όπως επίσης και η δυνατότητα εφαρμογής & τροφοδότησης θεμάτων μελλοντικής έρευνας. Ένα πλαίσιο με τα υπάρχοντα στοιχεία της διατριβής για τον υπολογισμό ρίσκου σε πραγματικό χρόνο παρουσιάζεται στα συστήματα έξυπνων πόλεων.