PTN在基站回傳網絡中基于多QoS的故障恢復差異化選擇

摘要：提出了一種PTN承載基站回傳網絡中故障恢復的多樣性自適應匹配機制，滿足3G/LTE基站業務多QoS差異化的需求，使得PTN技術更智能地區分和并存各種業務。建立了基于全面的多QoS輸入參量的故障恢復差異化選擇模型，并對其進行了詳細的數學定義和機制研究，最后，針對最高QoS等級需求的業務設計了多故障模糊避免算法以提高對其傳送質量的保證。

關鍵詞：PTN 基站回傳 QoS區分 故障恢復 多故障模糊避免

中圖分類號：TN91 文獻標識碼: A 文章編號：1674-098X(2011)12(a)-0000-00

概述

移動通信技術的迅猛發展對基站回傳網絡提出了一些新挑戰，尤為強烈的IP數據化和寬帶化需求，使得基站回傳網絡既要具備高效統計復用、靈活感知業務特性及差異化服務質量（QoS）等分組技術的傳統能力；同時作為電信級業務的承載體，又能夠繼承端到端業務管理、層次化的運行維護管理（OAM）及電信級保護等傳送特性。

融合了分組技術及同步數字體系（SDH）技術優勢的分組傳送網（PTN）兼備了上述兩方面的優勢，選用PTN承載基站回傳已成定局。不過由于3G/LTE具備多場景接入的特點，基站回傳也將呈現多業務并存、統一承載、差異化服務的局面。

本文提出了一種PTN承載基站回傳網絡中故障恢復的多樣性自適應匹配機制，滿足3G/LTE基站業務多QoS差異化的需求，建立了基于全面的多QoS輸入參量的故障恢復差異化選擇模型，最后，針對最高QoS等級需求的業務設計了多故障模糊避免算法以提高對其傳送質量的保證。

3G/LTE業務QoS需求分析及類別劃分模型

3G/LTE業務已從紙上標準變為現實，各種高速移動寬帶、豐富多媒體業務、快速數據下載、終端交付等應用場景代表著3G/LTE網絡最顯著的特性，即能夠提供更高的用戶接入速率以開展新業務，目前國際主要電信運營商提供的3G 業務包括：可視電話、視頻會議、視頻信箱、視頻點播、實時監控、快速下載。

以3GPP 業務的分類為例，主要標準是時延靈敏度，會話型業務時延要求最高，后臺型時延要求最低，每類業務都有側重的參數指標，如下表（表1）所示。

表1 3GPP業務分類表

業務類型基本特性應用舉例

會話類型保護數據流中各信息實體傳送的連續性。

對時延有嚴格要求。

要求有足低的時延和丟包率來保證可接收的業務質量。

話音

數據流類型保護數據流中各信息實體傳送的連續性。

抖動是QoS的重要指標。

流媒體video

交互類型申請響應模式。

保護負荷內容。

往返延時是衡量用戶滿意度的重要指標。

Web瀏覽數據查詢業務

后臺類型不需要在指定時間內將數據傳送到目的地。

保護負荷內容。

Email后臺下載

應看到3G/LTE目前的業務分類標準過于單一，各標準中一般均以時延為主，業務的QoS 特征不夠明顯（如下圖，圖1所示），例如互動游戲屬于交互類型，但其對時延的要求很高，因而單一參數不能完全作為類別劃分的依據，還需進一步進行類別細分。

圖1 基于單一QoS指標的業務類別劃分模型

分組傳送網（PTN）中基于OAM功能的三種故障恢復模型

豐富的移動業務的實現需要以承載網作為支撐，豐富業務體驗時代的到來，也給移動承載網提出了新課題：移動基站回傳如何滿足3G/LTE豐富業務發展的需要。 基站回傳即指在移動網RAN層，通過多種物理媒介在基站和基站控制器之間建立一個安全、可靠的電路傳輸手段。由于所有客戶終端通過RAN接入移動網絡、獲得移動業務，因此基站回傳的網絡質量直接影響運營商是否能夠快速響應業務發展的需求。

在PTN統領基站回傳已成定局的今日，為應對上述需求，充分研究分組傳送網OAM功能的繼承和擴展是首要且急迫的。在此，舉例幾個OAM中對本文的研究較為重要且具代表性的功能：

連續性和連通性檢查

即通過周期性發送連續性和連通性檢查（CC）檢測報文，檢測連接是否正常。可以檢測的故障類型包括：連續性丟失、錯誤合并、異常維護實體組終端點、異常周期。

遠端缺陷指示

用于向遠端通告本端故障。當本端出現服務層信號失效故障時，向遠端發送遠端缺陷指示。

客戶信號失效

用于傳遞客戶信號失效指示。當檢測到輸人客戶信號失效時，傳遞客戶信號失效指示給遠端T-MPKS特定客戶宿適配器處理，以防客戶層自身不支持告警壓制機制。

OAM機制在對保障傳送網絡的可靠性和穩定性方面具有十分重要的作用。T-MPLS作為一種多業務PTN技術，將作為本文下面討論故障恢復差異化選擇和多故障避免中的主要技術。發展T-MPLS技術的電信級OAM機制已成為標準化組織工作的重點，也是本文討論故障恢復差異化和多故障處理的重點。

基于OAM功能的三種故障恢復模型分別是全局（即端到端）恢復模型、逆向恢復模型、本地（即鏈路級）恢復模型，它們分別側重于不同組合的QoS保證，這些特征也將在下文QoS參數的數學模型中有所考慮。

基于多QoS參量的故障恢復差異化選擇

為彌補前文所述業務分類模型中QoS指標單一不能全面刻畫3G/LTE業務特性的不足，在此改進為4個輸入參數的差異化QoS模型。為了更準確地研究基站回傳PTN網絡中故障恢復的多樣性和多故障處理的強生存性，本文將故障恢復相關研究中涉及到的指標均做提取，用數學樣本做定義輸入到差異化選擇的模型中作QoS決定參量。

選擇的具全部代表意義的QoS參量主要有：資源消耗RC、故障恢復概率FRP、故障恢復時間FRT和故障恢復期間的包丟失數NPL。

故障恢復中輸入的QoS參量定義及數學模型分析

4.1.1 資源消耗RC

這里的資源消耗主要是指所選擇的恢復連接占有的帶寬資源和節點費用。根據恢復模型的不同，故障發生后，流量轉發過程所占用的鏈路資源和節點資源也不相同，特別是逆向恢復模型，還需要考慮逆向連接的資源消耗。

給出如下定義：H為一條T-MPLS恢復連接包含的跳數；RB為流量轉發的帶寬請求；Ci為該連接中第i個LSR的設備成本及維護成本；Hr，為采用逆向恢復模型時的故障鄰近上游節點到PSL節點的跳數；恢復模型策略因子里，若a=l，表示逆向恢復模型，否則a=0。

從而，該條T-MPLS連接的資源消耗RC可用下式表示：

4.1.2 故障恢復概率(FRP)

T-MPLS連接由鏈路和節點構成，連接故障的發生均是由鏈路或節點故障引起。

對于物理或地理條件比較惡劣的鏈路存有較高的失效概率，它是鏈路模型初始化的決定性因素。對于引起節點失效的因素也有很多，如設備損害、系統故障等均能引起節點失效。當傳播故障指示信息的中間節點或流量切換開關節點拒絕恢復連接帶寬分配請求時，同樣引起整條連接的失效。影響當前失效概率評估的還有統計的故障值，它主要由業務提供商的故障記錄中提供，在初始值的基礎上通過其進行相關性預測可使得評估結果更加精確。

在假定一條連接中所有鏈路和節點失效概率相互獨立的情況下，每一條鏈路和每一個節點出現故障均會導致整條連接癱瘓。同樣地，如果所有的鏈路和節點均未出現故障且滿足業務傳輸的要求，那么此連接能夠正常工作?？梢姡粭l連接中的所有鏈路和節點的故障可恢復概率也相互獨立。

為便于數學分析，首先定義一組變量：H為一條T-MPLS連接的跳數；qi為該連接上第i個LSR對資源請求的拒絕概率：qni為該連接上第i個LSR的統計失效概率；ql為該連接上第j條鏈路的統計失效概率。一條T-MPLS連接的FRP可以用下式表示：

該條T-MPLS連接中的所有LSR對資源請求的拒絕概率均相等等假設下，在q<<1、qn<

4.1.3故障恢復時間(FRT)

故障恢復時間主要指從故障被識別到故障被恢復的這段時間，是故障恢復模型性能評定的一個重要參數，通過它可以評價保護策略的等級，進而設計不同的保護恢復機制。

FRT可以表示成各個階段所花費時間的總和，即：

當倒換請求完成后，即故障的工作連接已從故障中恢復或外部請求得到處理后，業務總是試圖返回工作連接。

4.1.4故障恢復期間的包丟失數(NPL)

FRT參數決定了故障恢復期間流量轉發的速度，對于實時性要求的業務特別重要。但是在提高恢復速度的同時，還需綜合考慮丟包率問題。

在故障恢復的整個過程中，并不是所有階段都存在包丟失情況，丟包率與故障恢復模型的選擇密切相關。對于全局恢復模型，在故障檢測、故障通告、恢復連接建立和流量倒換階段均存在丟包情況，而對于逆向恢復和本地恢復模型來說，只在故障檢測、恢復連接建立和流量切換期間存在丟包。

在故障恢復期間中的包丟失數(NPL)可表示：

其中，為恢復模型策略因子，l表示逆向、本地恢復模式，否則采用全局恢復模式；R為包的轉發速率。

承載的業務類型與模型輸入QoS參量的映射關系

QoS等級主要劃分為：EF加速轉發、AF確保轉發、BE盡力而為（如表2所示）。

表2 業務類型與QoS優先級的映射關系

業務類型EFAFBE

恢復速度高高--

占用資源多中極少

丟包率極低極低--

恢復概率高較高--

優先級別高中等低

模型中考慮的QoS參量有RC、FRP、FRT、Npl，已全面地刻畫了故障恢復中的性能指標。在此，根據承載業務的不同類型給出了其對于QoS的不同需求，進而在故障恢復的選擇機制和重路由算法中依此作為調整的根據，即按照不同的業務類型決定算法中輸入的參量的優先級次序，具體優先排隊如下：

EF等級輸入參量的優先次序:FRT->FRP->Npl->RC

AF等級輸入參量的優先次序:Npl->FRP->FRT->RC

BE等級輸入參量的優先次序:RC->FRP->Npl->FRT

基于多重QoS參量的故障恢復差異化選擇機制

圖2 基于多重QoS指標的故障恢復差異化模型

基于多QoS的約束故障恢復重路由算法

圖3 基于多QoS的約束故障恢復重路由流程圖

其中的重路由算法采用代入優先QoS參量作為代價值的最短路算法。各個參量的門限值n根據服務提供商與客戶商定的SLA設置。

多故障避免算法在提高EF優先級別業務生存性上的應用

多故障集合模糊避免算法

在此假定認為故障數目的增加就是屬于多故障，可以用通用的定義來描述保護恢復：利用網絡的剩余資源對受損的業務進行最大可能的恢復。利用模糊化的故障集合來定位保護恢復，利用網絡中剩余的模糊資源對受損的業務進行最大可能的生存性恢復。

如圖4所示，包括3個業務（藍色的線b->a，暗綠色的線c->d和亮綠色的線c->e），a ， d ， e為業務的目的節點?，F在a，d檢測到故障，e沒有檢測到故障。在單故障情況下link1是故障的鏈路（此示例僅僅考慮鏈路故障）。然而在多故障情況上，僅僅根據（a，d檢測到故障，e沒有檢測到故障）這些信息是無法得到具體的故障的數目和位置的。

此時可能的故障情形：

link1故障；

link3故障， link4故障；

link3故障， link5故障；

等等

link1故障，link3故障， link4故障；

link1故障，link3故障， link5故障；

等等

最后是

link1故障，link2故障，link3故障，link4故障，link5故障......

以上這些故障情形都是有可能發生的，模糊集合為此提出了一個很好的解決方案。

圖4 模糊算法拓撲示例圖

在這種情況下我們可以設計一個模糊的故障集合=（，，，，），分母表示這個故障元素隸屬于這個模糊集合的程度，分子表示模糊集合的元素。

多故障模糊避免算法在上述故障恢復差異化選擇機制中對重路由建路成功率的改進

上述得出的模糊集合有個好處，就是以后我們進行業務恢復的時候，我們在算路由的時候要保證每條新的路由中的鏈路元素的隸屬度相加得出的值要小于一個閾值。

如果圖4所以，要求每個新的路由中鏈路的隸屬度和小于1。有了這個約束條件，我們就可以避免（link1故障；link3故障和link4故障；link3故障和link5故障；link2故障和link4故障，link2故障和link5故障）這些故障。然而在這個約束條件下生成的路由還是存在一定的故障風險，這個新的路由最多經過一個0.5的鏈路。這個風險定義為=（沒有躲避的故障的隸屬度和）/全部故障的隸屬度和。

在最短路算法和最優化建路機制中，當一條電路上的某段鏈路不符合算法的條件時，就判斷為建路失效，從而使其他段鏈路資源可能處于空閑，應用多故障模糊避免算法不但在最高優先級別業務的生存性上提供了重要的保障，而且將其應用于上述重路由算法中，還可以進一步改進資源的空閑率和重路由時建路的成功率。

參考文獻

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