军用通信网络可靠性设计技术
刘存才1，梁 禹1，冯 伟2
(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2.中国人民解放军66061部队，北京 100144)
摘 要 ：针对无法简单套用经典方法来研究复杂军用通信网可靠性设计这一难题，对通信网可靠性研究进行了分析，提出了详细的可靠性测度指标。基于军用通信网可靠性设计需求，建立了系统可靠性测度和数学模型，给出了一种快速的解析评估算法和适用于大型网络的模拟方法。仿真结果表明，该设计能够快速、有效地计算评估可靠性指标，为军用通信网络可靠性设计提供可行、有效的工程方法。
关键词 ：通信网络；可靠性；测度指标；最小路集；蒙特卡罗
0 引言
在军事领域中，信息与通信网络发挥着重要作用。随着信息战的快速发展，军用通信网的组成越来越复杂，数字化战场对网络类复杂系统的依赖性越来越大。在军事意义上，军用通信网一旦发生故障，对战役的影响将是巨大的，为此军用通信网可靠性研究的重要性不言而喻[1]。通信网可靠性研究在理论上和实践中虽然逐步受到重视，但是不同于已有一套较为成熟理论及实验方法的单个设备或元器件的可靠性研究，军用通信网由于其可靠性评价固有的复杂性，例如评估的NP-Hard问题[2]以及多种因素，例如设备可靠度、敌方干扰与攻击等都会对军用通信网的可靠性产生影响等原因，目前还没有令人满意的军用通信网可靠性评价方法，在实际军用通信网工程中缺乏可直接利用的成果。针对更加复杂的军用通信网可靠性研究，很难套用研究单个设备可靠性的经典方法，需要专门的理论和方法对军用通信网可靠性进行设计[3]。
(5) 令v是一个3-三角7-点,若v关联两个(3,3,7)-面,一个(3,4-,7)-面,则v的非三角邻点是一个6+-点;
1 通信网可靠性定义及测度
1. 1 可靠性定义
传统意义上被广泛接受的可靠性定义是设备/系统在所处运行条件下，在预定的时间内充分完成其规定功能的能力(概率)。GB/T3187—94《可靠性维修性术语》[4]中对可靠性的定义是：产品在规定的条件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力。对通信网络而言，其通信网可靠性可以理解为：在特定环境条件下，在规定的时间内通信网能够充分完成规定通信功能的能力。这里的特定环境、时间和充分完成功能三大要素则是工程判断问题，通常只有工程技术人员和用户才可能提供令人满意的有关信息；而描绘能力的参量就是可靠性指标，最常用的是概率。通信网络可靠性不仅与网络中每个设备的可靠性有关，而且与网络的拓扑结构及路由机制等都有很大的关系[5]。
2.3 土壤重金属的地积累分析 采用湖南当地背景值计算研究区各元素的地积累指数及其污染情况，见表3。从计算结果来看，重金属Mn的Igeo最大值为5.38，达极严重污染水平；重金属Cd的Igeo最大值为2.57，属于中污染-强污染；重金属Pb的Igeo最大值达1.77，属于中度污染水平；重金属Cu、Cr、Ni、Zn的Igeo值均小于1.00，属于无污染-轻微污染；整个7种重金属元素污染顺序为Mn > Cd >Pb > Zn >Cu>Cr>Ni。由此分析，矿区对周边土壤环境造成重金属污染，其中Mn 受影响最为显著，其次为Cd，而Cr、Ni 几乎不受影响。
1. 2 可靠性测度
通信网络可靠性的测度分为：网络的抗毁性、生存性、可用性和完成性4类[6]，它们之间的关系如图1所示。
图1 通信网络可靠性测度
1. 2. 1 抗毁性
通信网的抗毁性描述的是网络拓扑结构在遭到敌方人为破坏下的可靠性，即在敌方破坏作用下，系统仍能完成任务的能力。主要测度有系统内聚度、连通度及其相应的脆弱度指标[7]。
1. 2. 2 生存性
阿玉奇是土尔扈特汗国开创者书库岱青之孙、朋楚克之子，生于1642年，卒于1724年2月19日，享年81岁，执政50余年。阿玉奇汗是土尔扈特历史上著名的汗王，他执政期间，由于他卓越的统治才能、高超的外交策略，以及辉煌的武功战绩，不仅造就他本人一生的丰功伟业，使他成为当时遐迩闻名的游牧汗国领袖，同时也将土尔扈特国推向前所未有的鼎盛阶段。托忒文历史文献《卡尔梅克诸简史》中曾对阿玉奇汗作过如下评述：他一生“帮助了许多国家和部落，没有让卡尔梅克人衰弱和受欺。让他强盛者尊重他，与他相衡者惧怕他。名义上是俄罗斯臣民，但一切事情均由自己做主，所以，他是伏尔加河卡尔梅克汗中最有威望的一位”。
有效沟通的实现需要构建开放、平等的沟通文化，建立一个相互信任的沟通氛围，实现信息的坦诚交换。组织需要建立多元化的沟通渠道，实现信息的及时反馈，畅通无阻。在沟通过程中重视员工的需求和建议，以合作伙伴和咨询师的角色来对待这些问题。让员工感受到来自组织的认同和尊重，更加深了其同舟共济的责任感和使命感。
⑤爆破堆石区。该区位于过渡料区下游，形成下游上坝道路和下游坝坡，是坝体的主要支撑结构，为石料场及建筑物开挖爆破料，碾压层厚0.8 m，孔隙率小于或等于21%。
通信网的生存性反应了网络在部件随机失效情况下的可靠性。其测度指标就是可靠度，定义是通信网在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。其测度指标主要分为两端可靠度、K端可靠度及全端可靠度[8]。
系统的主要功能是确保在一次任务时间内各节点(用户)的通信业务畅通，将系统可靠性测度指标定义为任意2个节点或用户之间的可靠性指标集合，即以综合的端-端可靠性水平来反映系统整体可靠性能。
1. 2. 3 可用性
实验教学能培养医学生认真的工作习惯和良好的实践能力。实验课程教师的工作态度、专业水平和对实验操作细节的把控会言传身教的影响学生。本文总结了几种光学显微镜的操作要点和注意事项，希望对病原生物学实验教学有所帮助。
通信网的可用性或称为有效性，是与修复能力有关的可靠性指标，给出了系统故障状态和维修情况下的可靠性测度指标。其指标为可用度分为瞬时可用度(网络在某时刻的连通概率)和稳态可用度(稳态下任意时刻的连通概率)[9]。
算法处理过程类似于对具有p 节点和q 节点的二叉树的操作，在累加计算可靠性过程中，依据路集分解自然累加，按其处理次序保持一条分枝状态，无需记录整棵树下面q 节点的任何状态，节省了大量的空间和时间。
1. 2. 4 完成性
定义系统结构函数X 为：
2 军用通信网可靠性指标与模型
2. 1 军用通信网可靠性指标
以美军某战术通信网络为例，其有关系统可靠性指标要求如下：
① 网络系统处于正常使用时间大于720 h；
② 在执行一次任务中，由于设备故障对于任何一个用户无法使用系统的平均时间不超过90 min。
将系统要求指标等价转化为系统对任意2个用户通信的可用性指标A S ，结果如下：
≅0. 998，
(1)
式中，n 是用户数；t i 是第i 个用户的不可用时间，即系统定量要求指标转化为“系统任意2个用户通信的可用度大于0. 998”。
总而言之，高速公路桥梁工程是我国的一项重要的基础设施项目之一，承担了我国重要的交通运输任务，且与我国的经济发展水平和社会现代化建设的程度有密切的关联，加之其工程质量与公路桥梁施工技术水平有直接的关联。为了使我国高速公路桥梁施工更科学、更合理、更人性化，并实现施工企业经济效益的最大化，应在保证施工质量的前提下，引入先进的生产技术提高施工质量。为实现这一目标，新时代的高速公路桥梁施工企业及其技术人员必须清醒地认识到当前施工中存在的不足之处，立足于当前现状，通过不断提升个人专业技术水平，加大对现代信息技术的应用，力争打造更安全、更舒适、更高品质的高速公路桥梁工程。
2. 2 通信网可靠性模型
该模型的实质是将系统主要功能表示为所有用户通信的集合，将通信网可靠性指标定义为(R ij )n×n ，即节点(用户)间通信的可靠性矩阵。因为各节点之间通信的中断对系统完成任务所造成的影响是不一样的，式(2)给出该矩阵的加权平均值作为综合衡量整个军用通信网的一个可靠性指标。
(2)
式中，R s 为系统可靠性；W ij 为节点i ，j 之间的可靠性加权因子；R ij 为节点i ，j 之间的通信可靠性，即用户i ，j 之间的通信可靠性。
军用通信网中的不同用户具有不同的等级，对系统可靠性要求不同，为更客观地评价系统的可靠性，给出一个加权的通信网可靠性模型：
式(2)中的W ij 的取值取决于节点i 与节点j 之间的信息流量以及它们之间的通信中断(故障)对军用通信网完成任务的影响程度，W ij 的取值可以按式(3)求得，
W ij =E ij +E ji ，
(3)
式中，E ij 和E ji 分别为i ～j 和j ～i 的业务流量。
在式(2)中，对于所有的i ，j (i <j =1，2，...，n )，R ij 对应的结构模型一般都包含了通信网模型，从宏观总体角度分析，通信网的失效将影响所有用户的通信，所以通信网起着非常重要的作用。提高通信网的可靠性可以提高所有用户间通信可靠性，但对任意一对用户来说提高幅度不大，需要采取其他措施来大幅度提高某些特别重要用户之间的可靠性。
2. 3 用户可用性模型
2. 3. 1 设备可用性
节点设备或链路设备i 的可用性指标计算公式为：
大数据（Big Data）也被称为海量数据，指的是大量、增长快、多样化、价值密度低但应用价值高的信息资产[4]。大数据真正的核心在于挖掘数据中蕴藏的信息价值。我国有无数个食品安全监测点，所汇集的食品安全信息包含了大量的实时数据且数据储存形式多样，同时食品安全数据分析应用的价值很大。由此可见，食品安全数据符合典型的大数据特征，因此可称其为食品安全大数据。
(4)
式中，A i 为相应链路设备i 的可用性；MTBF i 为设备i 的平均无故障间隔时间；MTTR i 为设备i 的平均维修时间。
2. 3. 2 链路可用性
干线链路和入口链路由相应链路设备串联而成，其可用性指标计算公式为：
(5)
式中，A i 为相应链路设备的可用性。在可靠性理论中，对电子设备来说，通常的假设是设备可靠性服从负指数分布，链路可以等效为一个设备，仍服从负指数分布。
3.3 悬挂式土壤改良机工作原理 土壤改良机的运动流程见图3。由22.05 kW(30PS)拖拉机(张家口地区应用较广)提供动力，动力由液压油泵传输至液压马达和液压缸。液压马达带动钻头旋转，同时液压缸驱动升降架及钻坑部件垂直下行20～25 cm以形成深坑。螺旋钻罩的出土口定向排出钻土，坑深由位置传感器控制。深坑形成后液压缸驱动钻坑部件回程，待螺旋钻回到指定位置时，排肥机构中的步进电机精确转动实现定量出肥，肥料依靠重力和弯型排肥管独特的结构精准落入深坑，土壤改良机移动至下一工位的过程中覆土板带动少量薄土实现覆盖，完成深坑定量施肥。
2. 3. 3 用户可用性数学模型
在可靠性结构模型中，假设共有n 个可靠性单元(节点和链路)，每个单元i (i =1，2，…，n )的成功概率(可靠度/可用度)为R i ，每个单元的有效性状态为：
A xy =A ij ×A 链路1×A 链路2，
(6)
式中，A 链路1，A 链路2为2个用户x ，y 相应入口链路的可用性；A ij 为连接相应2个用户群的节点i ，j 之间的通信可用性指标，即式(2)中的R ij 。
式(2)～式(6)组合便构成了传统通信网的系统可靠性数学模型。在实际工程应用中，这些组合模型除基本的端-端可靠性外，其他的都可以通过简单运算得到[11]。因此在复杂性方面，传统通信网可靠性评估都指向了网络的端-端可靠性模型。
需要注意的是，现代军用通信网的内涵正在向栅格化“信息网”扩展，通信网络已不再是单纯提供传送服务的通信网，而是逐步发展为提供信息服务的信息网，是由不同层次、不同使命的多个要素有机构成的一个完整的系统。例如，美军在2015年颁布的新版本《JP6-0联合通信系统》联合条令[12]，强调了“通信网”到“信息网”的含义扩展，将通信系统的功能确定为：获取、处理、存储、传输、控制、保护、分发和呈现信息。因此，通信网端-端可靠性测度的含义需要根据特定通信网情况在2点之间的连通性基础上进一步扩展到能够与信息服务层的相应设备互动访问，即用户端点以及信息服务层的相应设备所连节点之间能够连通，意味着两端可靠性逻辑上等价为多端之间的连通性判断问题，具体判据和方法与特定通信网的每项任务具体业务流程和网络拓扑有关。
3 军用通信网可靠性评估方法
3. 1 数学解析方法
数学解析方法是利用图论、概率论和布尔代数等数学理论，精确计算网络的可靠性测度指标。目前较有效的计算方法主要有两大类：最小路集法[13]和因式分解法[14]。然而在已有的SDP[15]可靠性评价方法中，由于大量的布尔代数运算，尤其在内循环之间，导致许多冗余运算，对解决较大规模或复杂的网络是无效的。而因式分解法又将产生大量的分图计算，并花费大量的空间进行存储。在实际军用通信网工程中需要采用合适的评估算法。
结合大量实践工作，本文提出了一种高效的用于军用通信网可靠性评估的通信网可靠性算法。该算法基于最小路集，用对分割路集的操作代替了因式分解法中对分图的操作，依据自然过程对路径标号进行操作，不需要对所有分割路集进行记录，避免了因式分解法处理数量庞大的分图所花费大量的空间和时间。其基本原理如下：
S =p x S p +q x S q ，
(7)
式中，S 为系统所有最小路径的集合；x 为系统任意部件(节点或链路)；p x 为x 成功的概率，算法中由它引出的点称为p 节点；q x 为x 失效的概率，算法中由它引出的点称为q 节点；S p 和S q 分别为相应p 节点或q 节点导出的系统所有最小路径的集合，它对应着相应节点的状态；{·}表示从相应p 节点或q 节点出发导致系统成功的不交事件概率之和，即系统成功的路径集合。
其次，教会学生将新近的新闻周刊、报纸、杂志中涉及传统文化的热门素材自编成作文题。比如，像这则新闻——“上海16岁女生武亦妹成为《中国诗词大会》比赛第二季冠军，很多粉丝惊呼这位‘00后’少女”，就可以指导学生自编题目写作。
本算法目的在于寻找对大型通信网络的快速计算，由于网络可靠性计算的固有复杂性，算法也会产生大量的分割路集，但是这样的分割路集并不需要额外的空间和处理时间。本算法将SDP法与因式分解法的优点结合起来，可快速计算大型通信网络系统端-端可靠性。
3. 2 计算机模拟方法
精确计算一个大规模的复杂网络需要指数增长的时间，采用解析的方法极端耗时甚至得不到结果，因此在大型通信网络可靠性评估中，采用计算机模拟方法几乎成为必然的选择。蒙特卡罗模拟法[16]根据部件的可靠性通过随机数产生系统样本，判断样本成功与否，只要产生足够多的样本，即可近似得到网络可靠性。本文采用蒙特卡罗模拟方法用于军用通信网可靠性评估。
用户群x ，y 之间可用性数学模型为：
(8)
式中，r 为连续产生的(0，1)区间上的均匀分布随机数。当X i =1时，表示单元i 处于正常状态；当X i =0时，表示单元i 处于失效状态。
通信网的完成性给出的是网络故障模式和网络本身引起网络业务性能下降时的网络可靠性指标。完成性指标是把可靠性和业务性能相结合考虑的一类可靠性指标，主要测度为有效度和完成度[10]。
如果个案需要继续接受服务，则在半年或一年后继续对个案进行专业评估，讨论制定个别化支持计划，继续进行专业服务。如果个案因为其他原因不宜继续接受该服务，则进行结案并展开定期追踪。
X =X 1，X 2，…，X n 。
(9)
X 对应着一个网络结构，其中当节点失效时，意味着其所有邻接链路失效；当节点正常时，相应链路的状态将取决于各自链路的状态函数值。
对系统进行多次(设为N 次)模拟取样，在每次模拟产生系统样本，即结构函数X 后，进行以下处理：
检查、统计相应的节点对(i ，j )之间的连通情况，当i 与j 之间至少有一条通信路由存在时，记为成功，否则记为失败。设成功次数为S ij ，则相应的端-端节点间可靠性评估近似值R ij 为：
R ij =S ij /N ，
(10)
将R ij 代入式(2)，即可求得系统可靠性指标R s 。
模型2：铅层与外围预制碎片一起作为爆炸驱动的整体，即，ξ1为柔爆索中装药质量mex与铅层和壳体质量之和(mpb+M0)的比值。利用Gurney公式计算铅层和壳体作为整体的飞散速度v0，则
可以按照任务要求，统计k (2<k ≤n )端之间的连通情况，设S k 表示k 个节点的连通成功次数，则相应的k 端节点可靠性评估值R k 为：
R k =S k /N 。
(11)
一般来说，军用通信网络系统可以分解成多项功能任务，每项功能任务场景可以分解成多种k 端组合(2≤k ≤n )，按上述方法求取k 端可靠性评估近似值后，取其均值作为该项功能任务的可靠性评估值。
4 评估实例
网络拓扑由主干节点和用户节点构成，其中网络主干节点包括1级节点7个、2级节点8个、3级节点14个和用户节点46个，共75个节点。系统的功能任务主要分为6类，从可靠性角度来看，每类功能任务的完成情况可以等价成若干组多端用户节点之间的通信连通性判断问题。
(4)实施任务计划：创业团队制定好任务计划后，开始实施计划方案，根据计划流程分步骤实施任务，其主要内容为：制作消费者需求调查表，实施线上线下市场调研，撰写调研报告等。教师首先要了解学生的任务计划，指导学生执行，鼓励学生去尝试，观察学生实施过程等，尽量多的和学生进行交流沟通，引导学生有效实施任务计划。
在进行可靠性仿真评估验证中，针对每类功能任务设定了任务权重，依次为0. 16，0. 20，0. 18，0. 14，0. 18，0. 14，选取了若干组k 端用户节点组合，取这些k 端可靠性的平均值作为该项功能任务的可靠性评估值，最后对6类功能任务的可靠性进行加权平均得到系统整体可靠性评估结果。可靠性模拟次数设置为12 000，软件运行效果如图2所示。
图2 可靠性软件运行效果
可靠性软件可以导入编辑后的通信拓扑，并在仿真运行中动态显示拓扑节点以及链路的可用状态。在软件左上方可以统一设置或者修改每一个节点以及链路的可用性，在左下方可以根据具体功能任务选择任意k 端的连通情况，设置好仿真次数后即可开始运行试验进行仿真。在软件的下方给出仿真进度，仿真过程及仿真后的仿真结果。试验可靠性仿真评估验证中的仿真结果如图3所示。
图3 可靠性仿真结果
仿真结果包含指定k 端节点的可靠性仿真结果以及系统整体可靠性仿真结果，软件运行得出的仿真结果还能够以文本形式导出以便进一步分析评估。
5 结束语
基于实际系统中的应用，提出了从定义到建模，定量评估的方法，应用结果表明，该方法能够有效、快速地计算评估通信网的可靠性指标。本文提出的数学模型以及评估方法对进一步研究通信网可靠性提供了一定的思路。由于通信网络是非常复杂的系统，对它的可靠性研究在理论上还不完善，存在着许多困难，还有许多工作需要深入研究。
参考文献
[1] 谭齐，姜永广，莫娴.军用通信网可靠性测试任务剖面研究[J].信息安全与通信保密，2010(4)：53-55.
[2] MICHAEL O B.Computational Complexity of Network Reliability Analysis：An Overview[J].IEEE Transactions on Reliability，1986，35(3)：230-239.
[3] 罗鹏程，金光，周经伦，等.通信网可靠性研究综述[J].小型微型计算机系统，2000，21(10)：1073-1077.
[4] GB/T 3187—94，可靠性维修性术语[S]，1994.
[5] 白生谦.提高通信网络可靠性的方法探析[J].数字通信，2009(4)：53-55.
[6] 潘勇.通信网可靠性指标研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2006，24(1)：1-5.
[7] 潘丽君.战场通信网络战时抗毁性初探[J].装甲兵工程学院学报，2006，20(2)：21-25.
[8] KEVIN W R.Factoring Algorithms for Computing K-terminal Network Reliability[J].IEEE Transactions on Reliability，1986，35(3)：269-278.
[9] BILLINTON R.Calculation of Frequency，Duration，and Availability Indexes in Complex Networks[J].IEEE Transactions on Reliability，1999，48(1)：25-30.
[10] VARSHNEY P K，JOSHI A R，CHANG P L.Reliability Modeling and Performance Evaluation of Variable Link-capacity Networks[J].IEEE Transactions on Reliability，1994，43(3)：378-382.
[11] 贾利民，林帅.系统可靠性方法研究现状与展望[J].系统工程与电子技术，2015，37(12)：2887-2893.
[12] JOINT Staff J-7.Joint Communications System 6. 0[M].Washington D C：Joint Education and Doctrine，2015：10-18.
[13] ABRAHAM J A.An Improved Algorithm for Network Reliability[J].IEEE Transactions on Reliability，1979，28(1)：58-61.
[14] THEOLOGOU O R，CARLIER J G.Factoring and Reductions for Networks with Imperfect Vertices[J].IEEE transactions on Reliability，1991，40(2)：210-217.
[15] WILSON J M.An Improved Minimizing Algorithm for Sum of Disjoint Products[J].IEEE Transactions on Reliability，1990，39(1)：42-45.
[16] FISHMAN G S.A Comparison of Four Monte Carlo Methods for Estimating the Probability of s-t Connectedness[J].IEEE Transactions on Reliability，1986，35(2)：145-155.
A Reliability Design Technique of Military Communication Network
LIU Cuncai1，LIANG Yu1，FENG Wei2
(1.The 54th Research Institute of CETC ，Shijiazhuang 050081，China ； 2.Unit 66061，PLA ，Beijing 100144，China )
Abstract ：To solve the problem that it is difficult to simply apply the classic methods to the reliability design of complex military communication network，this paper analyzes the research of communication network and proposes a detailed measure index.Based on the reliability design requirements of military communication network，a system reliability measure and mathematical model is set up，and a rapid analytical evaluation algorithm and a computer simulation algorithm applied for large network are proposed.The simulation results show that this design can evaluate the reliability indexes quickly and efficiently，and provide a more comprehensive and effective method for reliability design of military communication network.
Key words ：communication network；reliability；measure index；minimal path set；Monte Carlo
中图分类号 ：TP915. 02
文献标志码： A
文章编号： 1003-3106(2019)04-0272-05
doi： 10. 3969/j. issn. 1003-3106. 2019. 04. 02
引用格式 ：刘存才，梁禹，冯伟.军用通信网络可靠性设计技术[J].无线电工程，2019，49(4)：272-276. [LIU Cuncai，LIANG Yu，FENG Wei.A Reliability Design Technique of Military Communication Network[J].Radio Engineering，2019，49(4)：272-276. ]
收稿日期： 2018-12-11
基金项目： 通信网信息传输与分发技术重点实验室基金资助项目(614210403070817)
作者简介
刘存才 男，(1965—)，毕业于厦门大学控制理论专业，硕士，高级工程师。主要研究方向：通信网仿真和通信网可靠性研究。
梁 禹 男，(1987—)，硕士，工程师。主要研究方向：通信系统仿真技术。
冯 伟 男，(1984—)，工程师。主要研究方向：通信与网络。
标签：通信网络论文; 可靠性论文; 测度指标论文; 最小路集论文; 蒙特卡罗论文; 中国电子科技集团公司第五十四研究所论文; 中国人民解放军66061部队论文;