軍用通信網絡可靠性設計技術

劉存才，梁 禹，馮 偉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.中國人民解放軍66061部隊，北京 100144)

0 引言

在軍事領域中，信息與通信網絡發揮著重要作用。隨著信息戰的快速發展，軍用通信網的組成越來越復雜，數字化戰場對網絡類復雜系統的依賴性越來越大。在軍事意義上，軍用通信網一旦發生故障，對戰役的影響將是巨大的，為此軍用通信網可靠性研究的重要性不言而喻[1]。通信網可靠性研究在理論上和實踐中雖然逐步受到重視，但是不同于已有一套較為成熟理論及實驗方法的單個設備或元器件的可靠性研究，軍用通信網由于其可靠性評價固有的復雜性，例如評估的NP-Hard問題[2]以及多種因素，例如設備可靠度、敵方干擾與攻擊等都會對軍用通信網的可靠性產生影響等原因，目前還沒有令人滿意的軍用通信網可靠性評價方法，在實際軍用通信網工程中缺乏可直接利用的成果。針對更加復雜的軍用通信網可靠性研究，很難套用研究單個設備可靠性的經典方法，需要專門的理論和方法對軍用通信網可靠性進行設計[3]。

1 通信網可靠性定義及測度

1. 1 可靠性定義

傳統意義上被廣泛接受的可靠性定義是設備/系統在所處運行條件下，在預定的時間內充分完成其規定功能的能力(概率)。GB/T3187—94《可靠性維修性術語》[4]中對可靠性的定義是：產品在規定的條件下和規定的時間區間內完成規定功能的能力。對通信網絡而言，其通信網可靠性可以理解為：在特定環境條件下，在規定的時間內通信網能夠充分完成規定通信功能的能力。這里的特定環境、時間和充分完成功能三大要素則是工程判斷問題，通常只有工程技術人員和用戶才可能提供令人滿意的有關信息；而描繪能力的參量就是可靠性指標，最常用的是概率。通信網絡可靠性不僅與網絡中每個設備的可靠性有關，而且與網絡的拓撲結構及路由機制等都有很大的關系[5]。

1. 2 可靠性測度

通信網絡可靠性的測度分為：網絡的抗毀性、生存性、可用性和完成性4類[6]，它們之間的關系如圖1所示。

圖1 通信網絡可靠性測度

1. 2. 1 抗毀性

通信網的抗毀性描述的是網絡拓撲結構在遭到敵方人為破壞下的可靠性，即在敵方破壞作用下，系統仍能完成任務的能力。主要測度有系統內聚度、連通度及其相應的脆弱度指標[7]。

1. 2. 2 生存性

通信網的生存性反應了網絡在部件隨機失效情況下的可靠性。其測度指標就是可靠度，定義是通信網在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的概率。其測度指標主要分為兩端可靠度、K端可靠度及全端可靠度[8]。

1. 2. 3 可用性

通信網的可用性或稱為有效性，是與修復能力有關的可靠性指標，給出了系統故障狀態和維修情況下的可靠性測度指標。其指標為可用度分為瞬時可用度(網絡在某時刻的連通概率)和穩態可用度(穩態下任意時刻的連通概率)[9]。

1. 2. 4 完成性

通信網的完成性給出的是網絡故障模式和網絡本身引起網絡業務性能下降時的網絡可靠性指標。完成性指標是把可靠性和業務性能相結合考慮的一類可靠性指標，主要測度為有效度和完成度[10]。

2 軍用通信網可靠性指標與模型

2. 1 軍用通信網可靠性指標

以美軍某戰術通信網絡為例，其有關系統可靠性指標要求如下：

① 網絡系統處于正常使用時間大于720 h；

② 在執行一次任務中，由于設備故障對于任何一個用戶無法使用系統的平均時間不超過90 min。

將系統要求指標等價轉化為系統對任意2個用戶通信的可用性指標AS，結果如下：

(1)

式中，n是用戶數；ti是第i個用戶的不可用時間，即系統定量要求指標轉化為“系統任意2個用戶通信的可用度大于0. 998”。

系統的主要功能是確保在一次任務時間內各節點(用戶)的通信業務暢通，將系統可靠性測度指標定義為任意2個節點或用戶之間的可靠性指標集合，即以綜合的端-端可靠性水平來反映系統整體可靠性能。

2. 2 通信網可靠性模型

軍用通信網中的不同用戶具有不同的等級，對系統可靠性要求不同，為更客觀地評價系統的可靠性，給出一個加權的通信網可靠性模型：

(2)

式中，Rs為系統可靠性；Wij為節點i，j之間的可靠性加權因子；Rij為節點i，j之間的通信可靠性，即用戶i，j之間的通信可靠性。

該模型的實質是將系統主要功能表示為所有用戶通信的集合，將通信網可靠性指標定義為(Rij)n×n，即節點(用戶)間通信的可靠性矩陣。因為各節點之間通信的中斷對系統完成任務所造成的影響是不一樣的，式(2)給出該矩陣的加權平均值作為綜合衡量整個軍用通信網的一個可靠性指標。

式(2)中的Wij的取值取決于節點i與節點j之間的信息流量以及它們之間的通信中斷(故障)對軍用通信網完成任務的影響程度，Wij的取值可以按式(3)求得，

Wij=Eij+Eji，

(3)

式中，Eij和Eji分別為i～j和j～i的業務流量。

在式(2)中，對于所有的i，j(i

2. 3 用戶可用性模型

2. 3. 1 設備可用性

節點設備或鏈路設備i的可用性指標計算公式為：

(4)

式中，Ai為相應鏈路設備i的可用性；MTBFi為設備i的平均無故障間隔時間；MTTRi為設備i的平均維修時間。

2. 3. 2 鏈路可用性

干線鏈路和入口鏈路由相應鏈路設備串聯而成，其可用性指標計算公式為：

(5)

式中，Ai為相應鏈路設備的可用性。在可靠性理論中，對電子設備來說，通常的假設是設備可靠性服從負指數分布，鏈路可以等效為一個設備，仍服從負指數分布。

2. 3. 3 用戶可用性數學模型

用戶群x，y之間可用性數學模型為：

Axy=Aij×A鏈路1×A鏈路2，

(6)

式中，A鏈路1，A鏈路2為2個用戶x，y相應入口鏈路的可用性；Aij為連接相應2個用戶群的節點i，j之間的通信可用性指標，即式(2)中的Rij。

式(2)～式(6)組合便構成了傳統通信網的系統可靠性數學模型。在實際工程應用中，這些組合模型除基本的端-端可靠性外，其他的都可以通過簡單運算得到[11]。因此在復雜性方面，傳統通信網可靠性評估都指向了網絡的端-端可靠性模型。

需要注意的是，現代軍用通信網的內涵正在向柵格化“信息網”擴展，通信網絡已不再是單純提供傳送服務的通信網，而是逐步發展為提供信息服務的信息網，是由不同層次、不同使命的多個要素有機構成的一個完整的系統。例如，美軍在2015年頒布的新版本《JP6-0聯合通信系統》聯合條令[12]，強調了“通信網”到“信息網”的含義擴展，將通信系統的功能確定為：獲取、處理、存儲、傳輸、控制、保護、分發和呈現信息。因此，通信網端-端可靠性測度的含義需要根據特定通信網情況在2點之間的連通性基礎上進一步擴展到能夠與信息服務層的相應設備互動訪問，即用戶端點以及信息服務層的相應設備所連節點之間能夠連通，意味著兩端可靠性邏輯上等價為多端之間的連通性判斷問題，具體判據和方法與特定通信網的每項任務具體業務流程和網絡拓撲有關。

3 軍用通信網可靠性評估方法

3. 1 數學解析方法

數學解析方法是利用圖論、概率論和布爾代數等數學理論，精確計算網絡的可靠性測度指標。目前較有效的計算方法主要有兩大類：最小路集法[13]和因式分解法[14]。然而在已有的SDP[15]可靠性評價方法中，由于大量的布爾代數運算，尤其在內循環之間，導致許多冗余運算，對解決較大規模或復雜的網絡是無效的。而因式分解法又將產生大量的分圖計算，并花費大量的空間進行存儲。在實際軍用通信網工程中需要采用合適的評估算法。

結合大量實踐工作，本文提出了一種高效的用于軍用通信網可靠性評估的通信網可靠性算法。該算法基于最小路集，用對分割路集的操作代替了因式分解法中對分圖的操作，依據自然過程對路徑標號進行操作，不需要對所有分割路集進行記錄，避免了因式分解法處理數量龐大的分圖所花費大量的空間和時間。其基本原理如下：

S=pxSp+qxSq，

(7)

式中，S為系統所有最小路徑的集合；x為系統任意部件(節點或鏈路)；px為x成功的概率，算法中由它引出的點稱為p節點；qx為x失效的概率，算法中由它引出的點稱為q節點；Sp和Sq分別為相應p節點或q節點導出的系統所有最小路徑的集合，它對應著相應節點的狀態；{·}表示從相應p節點或q節點出發導致系統成功的不交事件概率之和，即系統成功的路徑集合。

算法處理過程類似于對具有p節點和q節點的二叉樹的操作，在累加計算可靠性過程中，依據路集分解自然累加，按其處理次序保持一條分枝狀態，無需記錄整棵樹下面q節點的任何狀態，節省了大量的空間和時間。

本算法目的在于尋找對大型通信網絡的快速計算，由于網絡可靠性計算的固有復雜性，算法也會產生大量的分割路集，但是這樣的分割路集并不需要額外的空間和處理時間。本算法將SDP法與因式分解法的優點結合起來，可快速計算大型通信網絡系統端-端可靠性。

3. 2 計算機模擬方法

精確計算一個大規模的復雜網絡需要指數增長的時間，采用解析的方法極端耗時甚至得不到結果，因此在大型通信網絡可靠性評估中，采用計算機模擬方法幾乎成為必然的選擇。蒙特卡羅模擬法[16]根據部件的可靠性通過隨機數產生系統樣本，判斷樣本成功與否，只要產生足夠多的樣本，即可近似得到網絡可靠性。本文采用蒙特卡羅模擬方法用于軍用通信網可靠性評估。

在可靠性結構模型中，假設共有n個可靠性單元(節點和鏈路)，每個單元i(i=1，2，…，n)的成功概率(可靠度/可用度)為Ri，每個單元的有效性狀態為：

(8)

式中，r為連續產生的(0，1)區間上的均勻分布隨機數。當Xi=1時，表示單元i處于正常狀態；當Xi=0時，表示單元i處于失效狀態。

定義系統結構函數X為：

X=X1，X2，…，Xn。

(9)

X對應著一個網絡結構，其中當節點失效時，意味著其所有鄰接鏈路失效；當節點正常時，相應鏈路的狀態將取決于各自鏈路的狀態函數值。

對系統進行多次(設為N次)模擬取樣，在每次模擬產生系統樣本，即結構函數X后，進行以下處理：

檢查、統計相應的節點對(i，j)之間的連通情況，當i與j之間至少有一條通信路由存在時，記為成功，否則記為失敗。設成功次數為Sij，則相應的端-端節點間可靠性評估近似值Rij為：

Rij=Sij/N，

(10)

將Rij代入式(2)，即可求得系統可靠性指標Rs。

可以按照任務要求，統計k(2

Rk=Sk/N。

(11)

一般來說，軍用通信網絡系統可以分解成多項功能任務，每項功能任務場景可以分解成多種k端組合(2≤k≤n)，按上述方法求取k端可靠性評估近似值后，取其均值作為該項功能任務的可靠性評估值。

4 評估實例

網絡拓撲由主干節點和用戶節點構成，其中網絡主干節點包括1級節點7個、2級節點8個、3級節點14個和用戶節點46個，共75個節點。系統的功能任務主要分為6類，從可靠性角度來看，每類功能任務的完成情況可以等價成若干組多端用戶節點之間的通信連通性判斷問題。

在進行可靠性仿真評估驗證中，針對每類功能任務設定了任務權重，依次為0. 16，0. 20，0. 18，0. 14，0. 18，0. 14，選取了若干組k端用戶節點組合，取這些k端可靠性的平均值作為該項功能任務的可靠性評估值，最后對6類功能任務的可靠性進行加權平均得到系統整體可靠性評估結果?？煽啃阅M次數設置為12 000，軟件運行效果如圖2所示。

圖2 可靠性軟件運行效果

可靠性軟件可以導入編輯后的通信拓撲，并在仿真運行中動態顯示拓撲節點以及鏈路的可用狀態。在軟件左上方可以統一設置或者修改每一個節點以及鏈路的可用性，在左下方可以根據具體功能任務選擇任意k端的連通情況，設置好仿真次數后即可開始運行試驗進行仿真。在軟件的下方給出仿真進度，仿真過程及仿真后的仿真結果。試驗可靠性仿真評估驗證中的仿真結果如圖3所示。

圖3 可靠性仿真結果

仿真結果包含指定k端節點的可靠性仿真結果以及系統整體可靠性仿真結果，軟件運行得出的仿真結果還能夠以文本形式導出以便進一步分析評估。

5 結束語

基于實際系統中的應用，提出了從定義到建模，定量評估的方法，應用結果表明，該方法能夠有效、快速地計算評估通信網的可靠性指標。本文提出的數學模型以及評估方法對進一步研究通信網可靠性提供了一定的思路。由于通信網絡是非常復雜的系統，對它的可靠性研究在理論上還不完善，存在著許多困難，還有許多工作需要深入研究。