基于ADC模型的通信網(wǎng)絡(luò)效能評估方法研究*

李彤巖，王培國，張　婷

(1.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225；2.成都市江漢路 31號網(wǎng)管中心，四川 成都 610000)

基于ADC模型的通信網(wǎng)絡(luò)效能評估方法研究*

李彤巖1，王培國2，張婷1

(1.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225；2.成都市江漢路 31號網(wǎng)管中心，四川 成都 610000)

針對通信網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)多、效能評估困難的問題，提出了基于ADC模型的效能評估方法，并采用可視化的方法實現(xiàn)。模型選取可用性行向量、可信賴性矩陣和通信保障能力作為關(guān)鍵指標(biāo)，能夠充分體現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的特點進行科學(xué)評估。理論分析和實驗測試證明了所提出的方法能夠有效地評估復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，并給管理人員提出合理的決策依據(jù)。

效能評估；ADC模型；可信賴性矩陣；通信保障能力

0　引言

網(wǎng)絡(luò)的故障情況及可靠性是網(wǎng)絡(luò)性能的重要衡量指標(biāo)，也是效能評估系統(tǒng)主要考核的指標(biāo)[1]。但是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的特點是傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性高和異構(gòu)性，因此使得網(wǎng)絡(luò)故障管理成為通信網(wǎng)絡(luò)管理中的一個難題。目前針對網(wǎng)絡(luò)性能分析和評估的研究并不多，且缺乏有效的評估手段。因此，網(wǎng)絡(luò)管理的綜合化、自動化和智能化成為網(wǎng)絡(luò)管理未來的發(fā)展方向。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和日益復(fù)雜化，迫切需要建立與之適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)保障體制和效能評估系統(tǒng)。

對網(wǎng)絡(luò)性能進行評估，傳統(tǒng)的方法有層次分析法[2-3]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[4]等。其中，將層次分析法用到柵格化信息網(wǎng)中效果不好，因為影響網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)參數(shù)數(shù)量多，指標(biāo)之間的相互影響不便定量分析，因此建立層次模型會有很大的難度；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法又會造成訓(xùn)練過于復(fù)雜，從而導(dǎo)致評估的效率差，不利于針對現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的特點進行有效的評估。

ADC模型源于美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(WSEIAC)于20世紀(jì) 60年代中期為美國空軍建立的模型，旨在根據(jù)武器系統(tǒng)的有效性(可用度)、可信賴性和能力三大要素評價裝備系統(tǒng)。該模型層次清晰,易于理解和計算,可以進行變量間關(guān)系的分析，是一種較為優(yōu)秀的效能評估方法,在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-8]，但是應(yīng)用在通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域并不多。相比較傳統(tǒng)的評估方法，基于ADC模型的評估方法更能夠科學(xué)地分析影響網(wǎng)絡(luò)性能的各個指標(biāo)，智能分析結(jié)果并評估網(wǎng)絡(luò)的可靠性，最后制定出包含網(wǎng)絡(luò)運維、檢查、服務(wù)、安全及設(shè)備維修等五類指標(biāo)體系及考評策略，并對網(wǎng)元的擴充和調(diào)整給出合理建議，從而為網(wǎng)絡(luò)維護和資源優(yōu)化配置提供了合理有效的依據(jù)。

本文根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的實際特點，設(shè)計了基于ADC模型的網(wǎng)絡(luò)效能評估系統(tǒng)，并且采用了可視化的實現(xiàn)。整個系統(tǒng)結(jié)合了專家經(jīng)驗和客觀指標(biāo)值來設(shè)計，能夠提高評價的科學(xué)性和有效性。

1　基于ADC模型的效能評估系統(tǒng)

1.1ADC模型

ADC評估模型的解析表達式為:

式(1)中，E為系統(tǒng)效能；A是可用性行向量，表示系統(tǒng)在任意隨機時刻開始執(zhí)行任務(wù)瞬間處于不同狀態(tài)的概率，表達式為 A=(a1，a2，…，an)，其中 n為狀態(tài)數(shù)目；D為可信賴矩陣，用于描述處于不同狀態(tài)的概率；C為能力向量，是系統(tǒng)效能在已知各個狀態(tài)時系統(tǒng)完成任務(wù)的能力度量，是系統(tǒng)性能集中的體現(xiàn)，表達式為C=[c1，c2，…，cn]T，其中矩陣元素ci是裝備系統(tǒng)在狀態(tài)i時的能力。

根據(jù)通信網(wǎng)的實際特點，本文提出了如圖1所示的基于ADC模型的通信網(wǎng)絡(luò)效能評估系統(tǒng)，其中模型中的參數(shù)A、D、C分別表示可用性行向量、可信賴性矩陣和通信保障能力。

圖1　通信系統(tǒng)效能評估系統(tǒng)

1.2ADC模型參數(shù)定義

1.2.1可用性行向量A

可用性行向量A是由系統(tǒng)開始處于所有可能狀態(tài)的概率組成,一般表達式為：A=[a1，a2]，兩種可能狀態(tài)構(gòu)成了樣本空間。假設(shè)通信系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時狀態(tài)僅劃分為完全正常工作(用數(shù)字1表示)和發(fā)生故障(用數(shù)字 0表示)兩種狀態(tài)，則系統(tǒng)的可用性向量可表示為A，式中a1表示系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時處于完全正常工作狀態(tài)的概率(即可用度),a2表示系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時處于發(fā)生部分故障狀態(tài)的概率(即不可用度1)。根據(jù)可靠性理論有：

其中，γ為完全正常的概率，θ為完全故障的概率。

1.2.2可信賴性矩陣D

通信安全設(shè)備在執(zhí)行任務(wù)中，按正常工作和發(fā)生故障兩種狀態(tài)，系統(tǒng)可信賴性矩陣為：

式中dij為 i狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 j狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。

1.2.3能力矩陣C

能力矩陣C表示系統(tǒng)在各個可用狀態(tài)下的能力,是指在已知系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)過程中所處狀態(tài)條件下達到任務(wù)目標(biāo)的能力向量。作為通信保障系統(tǒng),其能力主要包括信息處理過程的準(zhǔn)確性、安全性及傳輸?shù)耐暾缘?。通信系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中只有正常故障狀態(tài)三種模式，因此能力矩陣C可表示為：

根據(jù)某地區(qū)的情況，給出了如圖2所示的通信保障能力的能力指標(biāo)確定。

圖2　通信保障能力指標(biāo)

對通信保障能力采用加權(quán)合成綜合評估模型計算能力向量：

1.3ADC模型中參數(shù)的設(shè)計

1.3.1可用性行向量A

網(wǎng)絡(luò)運行可分為三種情況：完全正常率、部分故障率、完全故障率。a1為正常運行時間，a2為故障運行時間。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別得到運行時的概率p(a1)、p(a2)，可根據(jù)三種狀態(tài)的統(tǒng)計時長分別除以總時長得到：

1.3.2可信賴矩陣D

dij為 i狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 j狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，d11為正常情況下的概率，d12為正常情況變成部分故障的概率，d21為部分故障變成正常的修復(fù)率，d22為部分故障維持不變的概率。可信賴矩陣D描述為：

其中，θ表示系統(tǒng)的故障率,而σ表示系統(tǒng)的修復(fù)率，t為累計運行時間。

1.3.3能力矩陣C

為了方便計算，能力矩陣C中大部分取值為0～100%。

1.4評估過程

效能評估過程的流程圖如圖3所示。

圖3　效能評估流程圖

效能評估部分需要輸入各個評估項目的打分情況和參數(shù)權(quán)值，輸出的則是該項目方案當(dāng)前系統(tǒng)的評估值。根據(jù)評估值可以判斷系統(tǒng)的運行情況。

2　實驗測試

針對某區(qū)網(wǎng)絡(luò)實際情況對評估系統(tǒng)進行了測試，其中效能評估分為輸入?yún)?shù)部分和矩陣計算兩大部分。效能評估時首先對程序的原始設(shè)定進行清空，然后設(shè)置可用性行向量A、能力矩陣C各個選項的權(quán)值以及可信賴矩陣D，根據(jù)A、D、C矩陣計算顯示評估結(jié)果。計算結(jié)果保存需要用到MySql數(shù)據(jù)庫。

評估過程各個參數(shù)的設(shè)定需要人工進行評分，范圍為 0～100%，包含了好、中、差三種情況的結(jié)果對應(yīng)值。依據(jù)某網(wǎng)絡(luò)性能的客觀指標(biāo)值設(shè)置各參數(shù)情況如圖4所示。圖5為可視化界面，描述了根據(jù)圖4對矩陣C各參數(shù)的配置設(shè)定得到的效能評估值。

圖4　配置參數(shù)界面

圖5　效能評估界面及其顯示計算所得評估值

選取某通信網(wǎng)絡(luò)的幾個重要性能指標(biāo)，測試在參數(shù)取值不同的情況下對通信效能評估值的影響，測試結(jié)果如表1所示。

通過理論分析可知道，A和D的取值情況會受到網(wǎng)絡(luò)故障診斷的影響，通信保障能力C則綜合反映了幾個性能指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響程度。通過實驗測試結(jié)果可以得出，信道抗干擾能力、平均無故障率和通信系統(tǒng)機動性是影響網(wǎng)絡(luò)性能的三個最主要因素，隨著抗干擾能力、平均無故障率、通信系統(tǒng)機動性的增強，網(wǎng)絡(luò)效能評估值相應(yīng)提高。實驗表明通過對各個參數(shù)具體的設(shè)定，可以較好地將影響網(wǎng)絡(luò)性能的因素反映在效能評估模型中。該方法能夠比較科學(xué)有效地分析、評估通信保障效能。通過ADC模型得出的評估值，可以用來對網(wǎng)絡(luò)資源進行優(yōu)化配置，并給管理者提供可靠的決策依據(jù)。

表1　通信網(wǎng)絡(luò)效能評估值測試

3　結(jié)束語

本文根據(jù)柵格化信息網(wǎng)的特點來構(gòu)建效能評估模型，解決了性能指標(biāo)過多而不便于客觀科學(xué)地評估網(wǎng)絡(luò)保障效能的問題。對網(wǎng)絡(luò)保障效能評估系統(tǒng)采用了可視化的實現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)評估系統(tǒng)操作不方便、不利于應(yīng)用推廣的問題。整個系統(tǒng)結(jié)合了專家經(jīng)驗和客觀指標(biāo)值來設(shè)計，提高了評價的科學(xué)性。柵格化信息網(wǎng)保障效能評估系統(tǒng)是提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，提高信息網(wǎng)保障效能的必然需求。該平臺能夠?qū)π畔⒕W(wǎng)絡(luò)管理中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，為信息網(wǎng)保障效能提供了科學(xué)的依據(jù)。

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Effectiveness evaluation method based on ADC model in communication networks

Li Tongyan1，Wang Peiguo2，Zhang Ting1
(1.Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China；2.Network Management Center in Jianghan Road 31#，Chengdu 610000，China)

It is more difficult to assess the effectiveness in communication networks,thus this paper proposes an ADC model based method to assess the effectiveness of communication networks.In the ADC model,row vector,matrix characteristics and reliable communication support capabilities can be selected as the key indicators.The characteristics of the communication networks can be fully reflected by these indicators to carry out a scientific assessment.The theoretical analysis and experimental tests prove that the proposed method can effectively evaluate complex network performance metrics,and give managers a reasonable basis for decision making.

effectiveness evaluation；ADC model；dependability matrix；communications support capabilities

TN915

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.004

四川省科技計劃項目(2015JY0047)；四川省教育廳項目(13Z215)；成都信息工程學(xué)院科研人才基金(J201405)；四川省信號與信息處理重點實驗室開放研究基金項目(szjj2015-070)

2015－08－06)

李彤巖（1980－），女，博士，講師，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)處理。

王培國（1965－），男，高級工程師，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)管理。

張婷（1990－），女，碩士研究生，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)挖掘。

中文引用格式：李彤巖，王培國，張婷.基于 ADC模型的通信網(wǎng)絡(luò)效能評估方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41 (9)：18-20，28

英文引用格式：Li Tongyan，Wang Peiguo，Zhang Ting.Effectiveness evaluation method based on ADC model in communication networks[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：18-20，28