提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法探討

【摘要】文章通過分析得出了影響通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的因素,從提高節(jié)點(diǎn)/設(shè)備的可靠性、優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、使用網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)、使用差錯(cuò)控制技術(shù)等幾個(gè)方面詳細(xì)介紹了提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法和需要注意的問題。

【關(guān)鍵詞】通信網(wǎng)絡(luò) 可靠性 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 保護(hù)與恢復(fù) 差錯(cuò)控制

通信網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中往往會(huì)出現(xiàn)設(shè)備故障、鏈路失效、信道擁塞、通信中斷等問題,嚴(yán)重影響用戶的正常使用。這些問題都與通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性有關(guān)。目前對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究集中于可靠性的計(jì)算和評(píng)估方法,而對(duì)于如何提高可靠性涉及的不多。因此,研究提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法并付諸實(shí)際,有助于改善通信網(wǎng)絡(luò)的性能,對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展也具有重要意義。

1 通信網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

我國的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了產(chǎn)品的可靠性定義:產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[1]。由定義可知,它包含產(chǎn)品、規(guī)定條件、規(guī)定時(shí)間、規(guī)定功能和概率(即測(cè)度)等5項(xiàng)要素。

通信網(wǎng)絡(luò)與一般產(chǎn)品既有共性也有區(qū)別。對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性,研究人員提出了不同的定義,有的強(qiáng)調(diào)生存性,有的強(qiáng)調(diào)可用性,有的強(qiáng)調(diào)有效性,不一而足。其中之一為:通信網(wǎng)可靠性是指通信網(wǎng)在實(shí)際連續(xù)運(yùn)行過程中完成用戶的正常通信需求的能力[2]。它既包含了網(wǎng)絡(luò)的生存能力和可用性,也反映了網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶需求的適應(yīng)能力;既研究網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行情況下的可靠性,也研究異常情況下的可靠性,是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程的綜合測(cè)度。這一定義包括了可靠性主體、規(guī)定條件、規(guī)定時(shí)間、規(guī)定功能和概率等五項(xiàng)要素,與產(chǎn)品的可靠性定義相當(dāng)吻合,同時(shí)又突出了通信網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)。

通信網(wǎng)是由傳輸、交換、終端設(shè)施和信令過程、協(xié)議以及相應(yīng)的運(yùn)行支撐系統(tǒng)組成的復(fù)雜綜合系統(tǒng),影響其可靠性的因素很多,具體可以分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素指設(shè)備可靠性、網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)的組織和維護(hù)管理等;外部因素是指通信設(shè)備和通信網(wǎng)所依存的環(huán)境條件。通過理論分析和工程實(shí)踐相結(jié)合,這里總結(jié)出影響通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的因素如下:

◆通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成部件的可靠性;

◆通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

◆通信網(wǎng)絡(luò)的故障診斷能力;

◆通信網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)與自我恢復(fù)能力;

◆通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量;

◆通信網(wǎng)絡(luò)的管理與維護(hù);

◆通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境;

◆其它影響通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的因素。

2 提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法

2.1 提高節(jié)點(diǎn)/設(shè)備的可靠性

通信網(wǎng)絡(luò)的連通性變差將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞,網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和吞吐量等性能指標(biāo)下降,進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)下降。造成網(wǎng)絡(luò)連通性變差的原因主要是節(jié)點(diǎn)失效和鏈路失效,而節(jié)點(diǎn)失效的影響往往更大。因此,提高節(jié)點(diǎn)/設(shè)備的可靠性、降低失效率,是提高通信網(wǎng)絡(luò)連通性最直接的辦法。

通信網(wǎng)絡(luò)的組成設(shè)備基本上屬于電子設(shè)備,影響電子設(shè)備可靠性的因素主要包括所采用元器件的可靠性、電路結(jié)構(gòu)、制造工藝、使用環(huán)境和操作使用等。提高電子設(shè)備可靠性可采用以下方法:

(1)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì):設(shè)備的可靠性與其復(fù)雜程度成反比,在滿足指標(biāo)要求的前提下應(yīng)盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì);

(2)余度設(shè)計(jì):為重要部件和易損部件設(shè)置備份,一旦發(fā)生故障便啟用備份部件;

(3)故障樹分析:通過分析可能發(fā)生故障的原因,尋找設(shè)計(jì)漏洞,以改進(jìn)設(shè)計(jì);

(4)熱設(shè)計(jì):溫度對(duì)電子元器件影響很大,通過熱設(shè)計(jì)確定設(shè)備在環(huán)境溫度過高或過低時(shí)應(yīng)采取的措施;

(5)機(jī)械應(yīng)力的防護(hù)設(shè)計(jì):采取加固、減震等措施,降低沖擊、振動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力的影響;

(6)電磁兼容性設(shè)計(jì):減少傳導(dǎo)、輻射耦合等各種電磁干擾,使設(shè)備的性能不至降低;

(7)元器件篩選:選擇經(jīng)特性測(cè)試正常的元器件施加外應(yīng)力,剔除不合格的元器件;

(8)元器件的降額使用:選擇額定指標(biāo)高的元器件,使其工作條件始終低于額定指標(biāo);

(9)軟件可靠性設(shè)計(jì):采取避錯(cuò)設(shè)計(jì)、查錯(cuò)設(shè)計(jì)、糾錯(cuò)設(shè)計(jì)和容錯(cuò)設(shè)計(jì)等方法提高軟件可靠性。

2.2 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一般來說,環(huán)形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)的可靠性總是要好于鏈形網(wǎng)和樹形網(wǎng),在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)多使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)是提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的有效辦法。而一味追求網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化也不可取,還必須考慮到網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本是否合理。

規(guī)模較大的通信網(wǎng)通?？煞譃楹诵木W(wǎng)和接入網(wǎng),相應(yīng)地網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)也分為核心節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)。核心網(wǎng)處于整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的核心,承載的業(yè)務(wù)量大,對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響也比較大。因此,綜合考慮網(wǎng)絡(luò)可靠性和建設(shè)成本,可以在核心網(wǎng)采用網(wǎng)狀或環(huán)形結(jié)構(gòu),接入網(wǎng)采用鏈形或樹形結(jié)構(gòu),組成復(fù)合型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1)。

對(duì)于已經(jīng)投入使用的網(wǎng)絡(luò),也可以通過對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的微調(diào)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。例如,在鏈形網(wǎng)兩端節(jié)點(diǎn)之間增加一條鏈路以組成環(huán)形網(wǎng),就是一種有效的辦法。

2.3 使用網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)

增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的生存性,減小鏈路失效對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響是提高通信網(wǎng)可靠性的有力措施。通信網(wǎng)絡(luò)的生存機(jī)制包括保護(hù)與恢復(fù)兩種。保護(hù)機(jī)制的基本思想是預(yù)先規(guī)劃一部分冗余容量作為備用系統(tǒng),當(dāng)傳輸線路或者節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí),將受故障影響的主用系統(tǒng)迅速倒換到備用系統(tǒng)上;恢復(fù)機(jī)制是指網(wǎng)絡(luò)失效后,動(dòng)態(tài)尋找可用資源并采用重新選路的方式繞過失效部件。表1列出了通信網(wǎng)絡(luò)幾種生存技術(shù)的對(duì)比:

在工程應(yīng)用中,需要注意以下幾個(gè)方面:

(1)線型保護(hù)包括1+1、1:n和m:n三種方式。1+1方式屬于專有保護(hù)方式,最可靠但利用率也最低;1:n和m:n屬于共享保護(hù)方式,資源利用率相對(duì)較高。線型保護(hù)資源利用率低、成本高,多數(shù)網(wǎng)絡(luò)不必實(shí)現(xiàn)全保護(hù),可以優(yōu)先保障對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性影響較大的鏈路[3]而在可靠性和成本之間尋求平衡。

(2)針對(duì)不同的業(yè)務(wù)應(yīng)該采取不同的保護(hù)恢復(fù)策略。對(duì)QoS要求很高的專線業(yè)務(wù),可以采用永久1+1的保護(hù)方式,取得極高的可用性;對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的業(yè)務(wù),可以采用1+1保護(hù)與恢復(fù)相結(jié)合的方式;而對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性要求較低的業(yè)務(wù),或那些在業(yè)務(wù)層面有冗余帶寬保護(hù)或者無需實(shí)時(shí)保護(hù)的業(yè)務(wù),可以采取動(dòng)態(tài)恢復(fù)的方式。

(3)通信系統(tǒng)的不同層面(如鏈路層、業(yè)務(wù)層等)可能會(huì)同時(shí)啟用保護(hù)與恢復(fù)機(jī)制,這就涉及到層間協(xié)調(diào)問題。目前解決的方式包括兩種:a)優(yōu)先啟動(dòng)低層的保護(hù)恢復(fù),當(dāng)?shù)蛯硬荒芡瓿蓵r(shí)再啟動(dòng)高層的保護(hù)恢復(fù),這對(duì)層間協(xié)調(diào)的要求比較高;b)優(yōu)先啟動(dòng)高層的保護(hù)恢復(fù),這種方式的問題在于低層故障發(fā)生后會(huì)影響多個(gè)高層業(yè)務(wù)。

2.4 使用差錯(cuò)控制技術(shù)

信道上傳輸?shù)男盘?hào)容易受到信道傳輸特性以及噪聲的影響,使得通信接收端產(chǎn)生誤碼。要提高通信的可靠性,就應(yīng)當(dāng)根據(jù)信道特性,合理設(shè)計(jì)基帶信號(hào),選擇合適的調(diào)制解調(diào)方式及發(fā)射功率,采用均衡技術(shù)消除或減少碼間串?dāng)_等。但很多情況下,僅僅這樣是不夠的,還要通過信道差錯(cuò)控制來改善通信系統(tǒng)的傳輸可靠性[4]。

差錯(cuò)控制有以下三種方式:

(1)自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)(ARQ):當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)時(shí),設(shè)法通知發(fā)送端重發(fā),直到收到正確的碼字為止;

(2)前向糾錯(cuò)(FEC):接收端不但能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò),而且能確定二進(jìn)制碼元發(fā)生錯(cuò)誤的位置,從而加以糾正;

(3)混合方式(HEC):發(fā)送端編碼具有一定的糾錯(cuò)能力,接收端對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。如發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)且未超過糾錯(cuò)能力,則自動(dòng)糾錯(cuò);如超過糾錯(cuò)能力則發(fā)出反饋信息,命令發(fā)送端重發(fā)。

三種差錯(cuò)控制方式的比較參見表2?？梢钥闯?三種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍,應(yīng)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)姆绞健?/p>

3 結(jié)束語

除了以上介紹的幾種方法,還有流量分配、路由控制、維護(hù)管理等多種方法提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在筆者從事的工程項(xiàng)目中,通過各種方法的應(yīng)用,使目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的可靠性提高了兩個(gè)級(jí)別。

可靠性是通信網(wǎng)絡(luò)的重要屬性。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求越來越高。本文結(jié)合工程應(yīng)用提出的幾種提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法,對(duì)它們的研究對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)以及管理等方面也有參考價(jià)值和指導(dǎo)意義,有助于改善通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

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【作者簡(jiǎn)介】

白生謙:中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所工程師,碩士畢業(yè)于西安電子科技大學(xué),主要研究方向是通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)。