蔡睿妍,張容容,楊 力,戚耀文
1(大連大學(xué) 通信與網(wǎng)絡(luò)重點實驗室,遼寧 大連 116622)2(大連大學(xué) 信息工程學(xué)院,遼寧 大連 116622)3(南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院,南京 210094)
空間信息網(wǎng)絡(luò)是以空間平臺為載體,實時獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1],衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是空間信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,對信息進行處理轉(zhuǎn)發(fā).傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性研究主要是基于二態(tài)網(wǎng)絡(luò),由于負載、外界環(huán)境干擾等因素使得衛(wèi)星節(jié)點和鏈路性能水平在“完全可靠”和“完全失效”之間還存在不同程度的“部分可靠”的工作狀態(tài),即多狀態(tài)[2].故傳統(tǒng)的二態(tài)網(wǎng)絡(luò)可靠性模型已經(jīng)無法適應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)多狀態(tài)系統(tǒng).衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)種類多,典型的有圖像、語音、視頻等業(yè)務(wù).不同業(yè)務(wù)其QoS需求不同[3],可以看出,在可靠性模型方面,缺乏基于系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的可靠性建模體系,因此,針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)QoS業(yè)務(wù)種類多,節(jié)點和鏈路多狀態(tài),傳輸時延大等特點,建立QoS可靠性數(shù)學(xué)模型具有重要意義.
早期端到端通信網(wǎng)絡(luò)可靠性研究均是基于圖論理論來進行建模[4],比如常用的網(wǎng)絡(luò)割集法、最短路徑法等[5-7].這些方法模型簡單,易于計算,但只從拓撲角度考慮端到端連通可靠性.文獻[8]在網(wǎng)絡(luò)割集法的基礎(chǔ)上提出一種遍歷容量多項式可靠性模型,該模型計算復(fù)雜度低,但是沒有考慮傳輸時延.文獻[9]提出一種受時間約束的相關(guān)故障可靠性模型,該模型減輕了網(wǎng)絡(luò)對相關(guān)故障的脆弱性,但沒有考慮鏈路帶寬.文獻[10]提出一種基于時間馬爾科夫鏈的可靠度定量評估模型,該模型能夠準確的對系統(tǒng)進行可靠性分析,但模型復(fù)雜度太高.文獻[11]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)中斷多項式網(wǎng)絡(luò)可靠性計算方法,確定可實現(xiàn)傳輸速率的上限,用于資源利用的優(yōu)化工作,但只是從單一性能進行分析.文獻[12]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)最小割集的不交和可靠性模型,該模型計算復(fù)雜度低,但沒有結(jié)合QoS性能對業(yè)務(wù)進行分類.文獻[13]在文獻[12]基礎(chǔ)上結(jié)合QoS需求的差異使用不交和可靠性模型得到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)端到端可靠性,該模型綜合考慮了鏈路帶寬和時延對可靠性影響,但在分析中沒有考慮節(jié)點丟包率對可靠性的影響.可以看出現(xiàn)有文獻都是從連通性、鏈路帶寬、以及時延角度考慮了部分QoS性能,不能涵蓋衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的基本需求,綜合考慮帶寬、時延、丟包率對可靠性的影響,無法適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)體系.
本文使用最寬最短路徑原則進行帶寬分配,結(jié)合低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)QoS業(yè)務(wù)種類多,節(jié)點鏈路多狀態(tài),傳輸時延大等特點,提出一種基于RBD的QoS可靠性數(shù)學(xué)模型.在已知端到端傳輸路徑基礎(chǔ)上,通過最寬最短路徑原則選擇路由,進行鏈路帶寬分配,規(guī)劃多路徑,建立路徑串并聯(lián)RBD可靠性模型,綜合考慮鏈路剩余帶寬、節(jié)點丟包率多狀態(tài)以及時延等建立基于權(quán)重法的可靠性數(shù)學(xué)模型,實驗仿真結(jié)果更接近本文模型理論值,證明了模型的有效性.
實際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都是在特定的條件下完成既定的任務(wù),由于受自身或外界條件的影響.系統(tǒng)及其組成單元在運行過程中一般會表現(xiàn)出多種不同的效率水平,該效率水平通常被稱為系統(tǒng)的性能水平,多態(tài)系統(tǒng)是二態(tài)系統(tǒng)的自然擴展,是指具有多種性能水平的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[14,15].在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有兩類網(wǎng)絡(luò)可靠性問題,多態(tài)弧網(wǎng)絡(luò)和多態(tài)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的可靠性,在多態(tài)弧網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)流服從守恒定律,每條弧都有一個數(shù)值隨機變化的剩余帶寬.在多態(tài)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中,只有一個源節(jié)點和目的節(jié)點,以及許多收到信號再轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點的中間節(jié)點,除源節(jié)點外其他節(jié)點都有不同的狀態(tài),即多狀態(tài).
網(wǎng)絡(luò)的可靠性指標主要包括3個方面,網(wǎng)絡(luò)的抗毀性、生存性和有效性[2].抗毀性指標和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān),常用的指標有完整度、粘聚度、離散數(shù)和堅韌度.生存性指端到端連通度,即兩個節(jié)點間至少存在一條通路的概率,生存性是網(wǎng)絡(luò)可靠性建模與分析中研究最多的一種可靠性指標.有效性反映網(wǎng)絡(luò)完成規(guī)定業(yè)務(wù)的能力,包括鏈路帶寬、時延、丟包率等可靠性指標.
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運行規(guī)律呈周期性變化,在每個時間片內(nèi),衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲不變,傳輸業(yè)務(wù)種類多導(dǎo)致空間信息網(wǎng)絡(luò)具有性能約束性和服務(wù)差異性等特征.在衛(wèi)星網(wǎng)路可靠性研究中,端到端連通性是有效性的前提,當端到端不連通時,表現(xiàn)為傳輸時延無窮大.考慮節(jié)點鏈路多狀態(tài)背景下網(wǎng)路的有效性指標,不同業(yè)務(wù)QoS要求不同,將鏈路剩余帶寬、時延、節(jié)點丟包率作為QoS可靠性指標,下面對相關(guān)指標進行分析.
1)剩余帶寬:鏈路的剩余帶寬W反應(yīng)鏈路當前實際的數(shù)據(jù)傳輸能力,指的是單位時間內(nèi)實際能夠傳輸?shù)谋忍財?shù).假設(shè)端到端有r條傳輸路徑,本文中BL為單一路徑L正常通信時最小支持帶寬,傳輸路徑中每條路徑的最小支持帶寬BL為進行帶寬分配后該路徑正常通信時能夠傳輸?shù)淖畲髱?,路徑L中鏈路的剩余帶寬滿足條件WL≥BL時認為該鏈路是可靠的.
2)時延:時延指信息從源節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點所需要的時間,包括節(jié)點排隊時延、處理時延、發(fā)送時延以及鏈路傳輸時延.由于衛(wèi)星通信距離遠,鏈路傳輸時延大,本文中只考慮鏈路傳輸時延T,Tmax為端到端QoS最大時延,每條路徑的總傳輸時延TL滿足條件TL≤Tmax時認為該路徑是可靠的.
3)丟包率:衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路誤碼率高,本文中,將鏈路誤碼率通過節(jié)點丟包率來體現(xiàn),指的是由于星際鏈路通信噪聲干擾,導(dǎo)致數(shù)據(jù)包遭到破壞出現(xiàn)差錯,不能通過校驗被丟棄數(shù)據(jù)包占傳輸總數(shù)據(jù)包的比例.Gmax為QoS最大丟包率,傳輸路徑總丟包率滿足條件GL≤Gmax時認為該路徑是可靠的.
4)端到端可靠度R:規(guī)定業(yè)務(wù)環(huán)境下,信息從源節(jié)點成功傳送到目的節(jié)點的概率.反映系統(tǒng)完成規(guī)定任務(wù)的能力.
衛(wèi)星節(jié)點在軌運行過程中除遭敵毀傷突然喪失功能外其性能水平是逐漸退化的,性能損失程度不同,衛(wèi)星節(jié)點的工作狀態(tài)也將不同,即空間信息網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星節(jié)點具有多種工作狀態(tài).同樣的,隨著星間距離、星間信道質(zhì)量以及鏈路帶寬的變化,星間鏈路也具有多種工作狀態(tài).衛(wèi)星節(jié)點及星間鏈路的工作狀態(tài)與空間信息網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)有直接關(guān)系,空間信息網(wǎng)絡(luò)的最終目標是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠、高效傳輸,故本文將根據(jù)節(jié)點及鏈路性能與空間信息網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性,按照通信能力將空間信息網(wǎng)路劃分為有限個狀態(tài).
假設(shè)空間信息網(wǎng)絡(luò)多狀態(tài)系統(tǒng)滿足:
1)空間信息網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星節(jié)點和星間鏈路的狀態(tài)是統(tǒng)計獨立的;
2)衛(wèi)星節(jié)點及星間鏈路的任意兩個狀態(tài)不重疊.
將衛(wèi)星的運行周期分成m個時間片段,在每個時間片,每條鏈路都有一個隨機變化的剩余帶寬,構(gòu)成多態(tài)弧網(wǎng)絡(luò).每個節(jié)點都有一個隨機變化的丟包率,構(gòu)成多態(tài)節(jié)點網(wǎng)絡(luò).在任意時刻,衛(wèi)星節(jié)點或星間鏈路都處于一個確定的性能等級,而整個空間信息網(wǎng)絡(luò)多狀態(tài)系統(tǒng)的性能是由這些節(jié)點及鏈路性能等級決定的.
系統(tǒng)鏈路集L={1,2,…,n},鏈路的剩余帶寬W采用連續(xù)多狀態(tài)隨機變量分布進行描述,每條鏈路v的剩余帶寬有k種不同的性能狀態(tài),其多狀態(tài)劃分如下.
(1)
系統(tǒng)節(jié)點集N={1,2,…,m},節(jié)點的丟包率G采用連續(xù)多狀態(tài)隨機變量分布進行描述,每個節(jié)點e的丟包率有q種不同的性能狀態(tài),其多狀態(tài)劃分如下.
(2)
在實際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運行過程中,業(yè)務(wù)類型不同,對QoS要求不同,傳輸業(yè)務(wù)滿足其QoS需求才是真正的可靠.本文在確定傳輸路徑的基礎(chǔ)上,建立基于RBD的QoS可靠性數(shù)學(xué)模型.在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中,鏈路剩余帶寬和節(jié)點丟包率多狀態(tài)以及時延均會影響通信可靠性,并且在不同業(yè)務(wù)背景下不同性能指標的多狀態(tài)對可靠性的影響程度不同.根據(jù)業(yè)務(wù)QoS需求不同對可靠性指標要求的差異,將業(yè)務(wù)分為3種類型,分別為帶寬敏感業(yè)務(wù)、時延敏感業(yè)務(wù)和可靠性敏感業(yè)務(wù).
實際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運行過程中常要求系統(tǒng)鏈路剩余帶寬、總傳輸時延、丟包率在一定的范圍內(nèi),性能參數(shù)不滿足要求,此時系統(tǒng)處于不可靠的狀態(tài).在鏈路剩余帶寬、節(jié)點丟包率多狀態(tài)分布、參數(shù)大小以及對應(yīng)分布概率已知的前提下,給出多態(tài)弧網(wǎng)絡(luò)和多態(tài)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)可靠度的計算方法.在多狀態(tài)弧網(wǎng)絡(luò)中,將傳輸時延作為約束條件,計算滿足最大傳輸時延的多態(tài)弧網(wǎng)絡(luò)剩余帶寬多態(tài)可靠度.在多態(tài)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中,計算節(jié)點丟包率多態(tài)可靠度.在實際建模過程中使用線性權(quán)重法綜合多態(tài)弧網(wǎng)絡(luò)和多態(tài)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)可靠度,通過調(diào)整權(quán)重系數(shù)得到多業(yè)務(wù)端到端系統(tǒng)可靠度.
多態(tài)弧網(wǎng)絡(luò)端到端共有r條路徑,每條路徑有j條鏈路組成,每條鏈路經(jīng)歷Zj個性能狀態(tài),每個狀態(tài)對應(yīng)一個剩余帶寬,即鏈路j性能狀態(tài)集Sj={Sj1,Sj2,…,SjZj},SjZj∈{0,1,2,…,k-1},對應(yīng)剩余帶寬分布集為Wj={Wj1,Wj2,…,WjZj},且處于各個性能狀態(tài)時的狀態(tài)概率對應(yīng)為Pj={Pj1,Pj2,…,PjZj}.剩余帶寬狀態(tài)隨機變量Xj對應(yīng)帶寬大小滿足條件Xj≥BL時鏈路是可靠的,BL為路徑L正常通信時最小支持帶寬,記Wfj=Wj{WjZj≥BL},信息經(jīng)過該鏈路正常通信的概率為PLj=∑Pj{Wf j}.路徑L中對應(yīng)鏈路的傳輸時延為TL={T1,T2,…,Tj},將鏈路傳輸時延作為約束條件,使用串聯(lián)可靠度公式得到路徑L可靠度.
(3)
R′(L)為路徑L正常通信的概率,即單路徑可靠度.
(4)
假設(shè)K個狀態(tài)組合中有Kf個狀態(tài)組合是可靠的,所有可靠狀態(tài)組合出現(xiàn)的概率和即為該路徑考慮節(jié)點丟包率多狀態(tài)的可靠度.
(5)
P(i)為路徑L滿足QoS最大丟包率狀態(tài)組合概率.R″(L)為多狀態(tài)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)單路徑可靠度.
單條傳輸路徑,路徑中節(jié)點與節(jié)點之間,鏈路和鏈路之間為串聯(lián)結(jié)構(gòu),多路徑中路徑與路徑之間為并聯(lián)結(jié)構(gòu).每條傳輸路徑考慮鏈路的剩余帶寬、時延、節(jié)點丟包率作為性能指標,根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)可靠性公式計算單路徑多態(tài)弧網(wǎng)絡(luò)剩余帶寬多態(tài)可靠度、多態(tài)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)丟包率多態(tài)可靠度,使用線性權(quán)重法計算出路徑綜合性能指標可靠度.對3種不同的業(yè)務(wù)類型,根據(jù)實際情況采用主觀賦權(quán)法給出權(quán)重值,最后,使用并聯(lián)系統(tǒng)可靠性公式計算系統(tǒng)端到端可靠度.
綜合考慮鏈路剩余帶寬、節(jié)點丟包率多狀態(tài)以及時延對系統(tǒng)可靠度的影響,使用線性權(quán)重法得到單路徑L綜合性能指標可靠度:
(6)
a,b(0≤a≤1,0≤b≤1)表示權(quán)重,a,b滿足條件a+b=1.Ti為單路徑中節(jié)點i對應(yīng)的傳輸時延,PLi為路徑L鏈路i剩余帶寬多態(tài)可靠度,P(i)為路徑L丟包率多狀態(tài)須滿足QoS最大丟包率時該狀態(tài)組合對應(yīng)概率,R(L)為路徑L綜合性能可靠度.
a,b取值決定于業(yè)務(wù)類型,根據(jù)QoS業(yè)務(wù)類型使用主觀權(quán)重法給定不同的權(quán)重值.對于帶寬敏感業(yè)務(wù),系統(tǒng)綜合性能可靠度R(i)主要取決于鏈路剩余帶寬多態(tài)可靠度PLi,需給定較大數(shù)值作為權(quán)重系數(shù)a;對于時延敏感業(yè)務(wù),系統(tǒng)對傳輸時延要求較高,通過QoS最大時延約束,刪除不滿足時延要求的路徑,給定相等的數(shù)值作為權(quán)重系數(shù)a,b;對于可靠性敏感業(yè)務(wù),系統(tǒng)可靠度R(i)主要取決于滿足QoS最大丟包率狀態(tài)組合概率P(i),需給定較大值作為權(quán)重系數(shù)b.
設(shè)從源節(jié)點到目的節(jié)點r有條傳輸路徑,系統(tǒng)可靠度由單路徑可靠度組成,路徑之間為并聯(lián)結(jié)構(gòu),根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)可靠性公式,空間信息網(wǎng)路端到端信息傳輸可靠度為:
(7)
其中R(L)表示傳輸路徑L的可靠度,BL為進行帶寬分配后路徑正常通信時能夠傳輸?shù)淖畲髱?,Bmin為QoS最小帶寬,Ti為路徑i傳輸時延.
在空間信息網(wǎng)絡(luò)中,衛(wèi)星的運行周期是不變的,將周期T分成m個時間片段,在每個時間片內(nèi),假定拓撲不變,某個時間片內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,節(jié)點集為V={v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8,v9,v10,v11},v1為源節(jié)點,v11為目的節(jié)點.
圖1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真拓撲圖
給定鏈路帶寬(10,7,6,5,6,5,10,3,9,8,7,6,7,8,7,10),每條鏈路剩余帶寬、節(jié)點(源節(jié)點除外)丟包率多狀態(tài)性能參數(shù)分布如表1、表2所示.
表1 剩余帶寬性能參數(shù)分布
定義業(yè)務(wù)請求(s,d,Wmin,Tmax,Gmax),s為源節(jié)點1,d為目的節(jié)點11,鏈路傳輸時延T/ms為(18,11,19,12,5,16,15,12,6,15,18,9,8,24,17),Wmin,Tmax,Gmax為多業(yè)務(wù)QoS需求,不同業(yè)務(wù)QoS需求如表3所示.
借鑒文獻[16]求取端到端可行路徑,使用最寬最短路徑原則進行帶寬分配得到多路徑為{a1a4a5+a2a6a9+a3a10a12a14+a2a7a12a14}.
使用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù),生成圖一網(wǎng)絡(luò)拓撲,節(jié)點和鏈路多狀態(tài)分布如表2、表3所示,進行端到端通信模擬,分別對3種不同的業(yè)務(wù)進行一百萬次實驗,統(tǒng)計通信成功次數(shù)所占比例,得到不同業(yè)務(wù)背景下端到端可靠度仿真值.在相同的網(wǎng)絡(luò)背景環(huán)境下使用公式(4)得到不同業(yè)務(wù)背景下端到端理論可靠度.選擇一個先進的典型端到端可靠性模型,不交和可靠性模型,與本文提出的理論可靠性模型以及仿真實驗結(jié)果進行對比,結(jié)果如表4所示.
表2 丟包率性能參數(shù)分布
表3 多業(yè)務(wù)QoS需求
表4 多業(yè)務(wù)可靠性
從表4中可以看出,源節(jié)點、目的節(jié)點以及網(wǎng)絡(luò)多狀態(tài)分布相同,傳輸業(yè)務(wù)不同,端到端可靠性存在明顯差異.在不交和可靠性模型中沒有考慮QoS差異,在相同的狀態(tài)環(huán)境下,不同業(yè)務(wù)得到的可靠度相同,相比于不交和可靠度,理論可靠度結(jié)果更接近仿真值,準確度得到明顯提高,說明本文提出的可靠性模型具有一定的有效性.
改變節(jié)點和鏈路狀態(tài),在相同的狀態(tài)環(huán)境下,計算理論可靠度、仿真可靠度、不交和可靠度,每種業(yè)務(wù)得到10組實驗結(jié)果.分別計算理論可靠度模型準確度與不交和可靠度模型準確度,其中模型準確度為模型計算值與實驗仿真值的接近程度,計算方法為:準確度=(模型計算值-實驗仿真值)/實驗仿真值×100%.
圖2顯示傳輸帶寬敏感業(yè)務(wù)時3種不同方法得到的端到端可靠度對比.可以看出,狀態(tài)不同,計算得到的可靠度結(jié)果不同,相比于不交和可靠度,本文理論可靠度準確度提升最大值為9.01%,最小值為2.79%.
圖2 帶寬敏感業(yè)務(wù)
圖3顯示傳輸時延敏感業(yè)務(wù)時3種不同方法得到的端到端可靠度對比.可以看出,相比于不交和可靠度,本文理論可靠度準確度提升最大值為5.78%,最小值為1.89%.
圖3 時延敏感業(yè)務(wù)
圖4顯示傳輸可靠性敏感業(yè)務(wù)時3種不同方法得到的端到端可靠度對比.可以看出,相比于不交和可靠度,本文理論可靠度準確度提升最大值為6.62%,最小值為1.23%.
圖4 可靠性敏感業(yè)務(wù)
對于3種不同的業(yè)務(wù)類型,可以看出理論可靠度和不交和模型可靠度存在明顯差異.和不交和可靠度模型相比,本文提出的可靠度模型準確度得到明顯的提升,使用本文可靠度模型計算得到的理論可靠度更接近仿真可靠度,這是因為本文在考慮節(jié)點和鏈路特征的同時對業(yè)務(wù)進行了分類,針對不同的業(yè)務(wù)給予不同的權(quán)重,說明本文提出的可靠度模型能夠較為準確計算出衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)端到端可靠度.
本文結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類多,節(jié)點和鏈路多狀態(tài)等特點,針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)端到端可靠性模型中沒有同時考慮鏈路剩余帶寬、節(jié)點丟包率多狀態(tài)、時延對可靠性影響,以及不同業(yè)務(wù)可靠性計算差異等問題,建立基于RBD的QoS可靠性數(shù)學(xué)模型.通過仿真計算了相同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)環(huán)境下不同業(yè)務(wù)的可靠性,仿真結(jié)果證明,相比不交和可靠性模型,本文可靠性模型計算結(jié)果準確度得到了明顯的提高,更符合實際.