一种多阶段多业务下编队无线通信网络可靠性评估方法

摘要

本发明提供一种多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性评估方法，步骤如下：一：计算每个业务的误包率；二：分析任务剖面中每个阶段每个业务每个节点上信息包的到达和离开速率；三：计算任务剖面每个阶段每个节点上信息包的有效到达速率；四：计算任务剖面每个阶段每个节点上时延分布的参数；五：计算每个业务的传输可靠度；六：计算任务可靠度；本发明达到了对多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性水平进行定量分析的目的，解决了编队无线通信网络的可靠性评估问题，保证了分析过程科学、合理且贴近实际情况，可靠性评估结果具有可信性，同时，所提方法计算简单，方便工程技术人员使用，具有较强的应用价值。

说明书

技术领域

本发明提出了一种多阶段多业务下编队无线通信网络可靠性评估方法，即一种多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性评估方法，面向编队无线通信网络可靠性分析的现实需要，考虑实际需求、通信特点和传输机制，运用排队论和排队网络理论等技术手段，解决了当任务剖面存在多阶段、多业务时，编队无线通信网络的可靠性评估问题，适用于无线通信网络的性能分析和可靠性评估等相关技术领域。

背景技术

高可靠的编队无线通信网络是实现作战效能、保证任务顺利完成的基本要素之一。评估编队无线通信网络的可靠性水平可以为合理部署任务和分配资源提供依据。

排队论是无线通信系统性能研究中常用的理论分析手段，相关的排队模型可以描述单个通信节点的信息传输行为，但是排队论只适用于单个通信节点的可靠性分析，不能直接用于网络层面的可靠性分析。基于实际需求、通信特点和传输机制这三个方面的考虑，编队无线通信网络通常具有以下重要特征。首先，依据实际的任务需求，编队无线通信网络的任务剖面通常存在多个阶段，每个阶段又可能存在多个业务；其次，由于采用无线通信手段，信息传输过程中丢包和误码的现象普遍存在；当出现丢包或误码现象时，重传策略是当前最简单而又行之有效的补偿措施；最后，在多跳传输机制下，每个通信节点既可以作为接收或发送信息的终端，也可以作为中继节点。针对上述的复杂情形，现阶段尚没有相应的可靠性评估方法。

为此，本发明提出了一种多阶段多业务下编队无线通信网络可靠性评估方法，即一种多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性评估方法。

发明内容

(1)本发明的目的：

本发明针对编队无线通信网络的可靠性问题，考虑任务剖面存在多阶段、多业务的情形，综合分析实际需求、通信特点和传输机制对编队无线通信网络可靠性的影响，运用排队论和排队网络理论等技术手段，提出一种多阶段多业务下编队无线通信网络可靠性评估方法，即一种多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性评估方法，为编队无线通信网络的可靠性分析提供理论基础。

(2)技术方案：

本发明给出了一种多阶段多业务下编队无线通信网络可靠性评估方法，即一种多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性评估方法，具体的实施步骤如下：

步骤一：计算每个业务的误包率：

由于通信设备通常具有一定的纠错能力，只有当信息包中误码的比例超过通信设备的纠错能力时，信息包才不能被正确接收；基于以上认识，定义“错误包”为误码比例大于等于规定阈值的信息包，并定义“误包率”为产生错误包的概率；

假设对于每个业务，信息包的标准长度相同，记为L比特；误码率相同，记为p_误码；误码比例的阈值相同，记为K；于是，误包率p_误包可由以下公式计算

式中：N_误码是误码数，表示上取整运算；

步骤二：分析任务剖面中每个阶段每个业务每个节点上信息包的到达和离开速率：

编队无线通信网络中任何一个通信节点(简称为节点)既可以作为发送或接收终端，也可以作为中继节点，同时，节点间的通信受到丢包和误码的影响，存在信息包重传的情况；假设当一个接收节点(接收终端或中继节点)没有接收到某一信息包，即发生丢包时，或者接收到信息包，但经处理发现为错误包时，会立即请求上级节点重新发送信息包，上级节点会立即重传信息包，并且从请求重传到执行重传所消耗的时间足够小，可以忽略不计；

某节点上待处理的信息包或称为“到达的信息包”的来源有四类：

1)作为发送终端生成的信息包：

对于业务j，如果节点i是发送终端，记其生成信息包的速率为λ^(j)；

2)接收上级节点发送的信息包：

对于业务j，如果节点i是中继节点或接收终端，记上级节点完成信息处理的速率为且每个业务的丢包率相同，记为p_丢包；由于存在错误包，只有比例1-p_误包的信息包是正确的，可以发送给节点i；由于丢包，发送给节点i的信息包只有比例1-p_丢包的信息包能被接收到；因此，上级节点发送的信息包的到达速率为

3)由于丢包被下级节点要求重传的信息包：

对于业务j，如果节点i是中继节点或发送终端，记节点i完成信息处理的速率为对于下级节点，其发现丢包的速率为由于下级节点发现丢包情况会立即请求重传，且从请求重传到执行重传所消耗的时间可忽略，因此节点i由于丢包被请求重传的速率等于下级节点发现丢包的速率；

4)由于产生错误包被下级节点要求重传的信息包：

对于业务j，如果节点i是中继节点或发送终端，记下级节点完成信息处理的速率为(若下级节点是业务j的接收终端，Ω为空，即否则Ω为再下一级节点)；下级节点处理完接收到的信息包后才会发现是否为错误包，故发现错误包的速率为由于下级节点发现错误包会立即请求重传，且从请求重传到执行重传所消耗的时间可忽略，因此节点i由于产生错误包被下级节点要求重传的速率等于下级节点发现错误包的速率；

基于以上分析，将各来源的信息包的到达速率总结于表1；

表1节点上信息包的到达速率

另一方面，某节点上处理完的信息包或称为“离开的信息包”的去向有两类：

1)作为接收终端完成业务：

对于业务j，如果节点i是接收终端，记其完成信息处理的速率为

2)处理完信息包后，将正确的信息包继续发送给下级节点：

对于业务j，如果节点i是中继节点或发送终端，其完成信息处理的速率为

基于以上分析，将各去向的信息包的离开速率总结于表2；

表2节点上信息包的离开速率

依据排队网络理论可知，当处于稳态时，每个节点对于每个业务的处理过程均处于平稳状态；即，对于节点i执行业务j的过程，所有来源的信息包的到达速率的和等于所有去向的信息包的离开速率的和；

由表1和表2可以列举出节点i执行业务j的所有来源的信息包的到达速率，以及所有去向的信息包的离开速率，并建立等式；进而，对每个节点每个业务建立等式，联立方程组，可以解得所有未知参数；

步骤三：计算任务剖面每个阶段每个节点上信息包的有效到达速率：

依据排队网络理论可知，某节点上信息包的“有效到达速率”为其所承担的所有业务的所有来源的信息包的到达速率的和，其值与所承担的所有业务的所有去向的信息包的离开速率的和相等；因此，在任务剖面阶段w中，节点i的信息包的有效到达速率λ_i^w可由以下公式计算

式中：λ^(j)是如果节点i是业务j的发送终端，其生成信息包的速率；p_丢包是丢包率；p_误包是误包率；是如果节点i是业务j的中继节点，其上级节点完成信息处理的速率；是如果节点i是业务j的中继节点或发送终端，其完成信息处理的速率；是如果节点i是业务j的中继节点或发送终端，其下级节点完成信息处理的速率；是如果节点i是业务j的接收终端，其完成信息处理的速率；

步骤四：计算任务剖面每个阶段每个节点上时延分布的参数：

假设所有节点的信息包处理速率相同，记为μ；依据排队论可知，对于处在任务剖面阶段w中的节点i，当μ＞λ_i^w且通信设备的缓存区足够大时，节点i上的时延T_i服从尺度参数的倒数为μ_i^w＝μ-λ_i^w的指数分布；

步骤五：计算每个业务的传输可靠度：

对于某个业务，定义“传输可靠度”为信息包传输的总时延小于等于规定时延阈值的概率；

假设任务剖面阶段w中的业务j由节点1、节点2、……、节点i、……、节点n共同完成，且信息包的传递次序与节点的编号次序一致；对于任务剖面阶段w中的业务j，总时延T^(j)可表示为由于T_i服从参数为的指数分布，T^(j)的累积分布函数表示为

式中：t是时间；n是参与任务剖面阶段w中业务j的节点总数；μ_i^w是任务剖面阶段w中的节点i上时延分布的参数，即尺度参数的倒数；μ_k^w是任务剖面阶段w中的节点k上时延分布的参数，即尺度参数的倒数；

对于任务剖面阶段w中的业务j有时延阈值Y_j，则传输可靠度R(^j)可由以下公式计算

式中：n是参与任务剖面阶段w中业务j的节点总数；μ_i^w是任务剖面阶段w中的节点i上时延分布的参数，即尺度参数的倒数；是任务剖面阶段w中的节点k上时延分布的参数，即尺度参数的倒数；

以上传输可靠度的解析表达式在计算上存在一个问题：当若干个节点上时延分布的参数相近时，使用计算机计算会产生较大误差，导致不合理的结果；因此，同时提出一种计算传输可靠度的蒙特卡罗仿真方法，该方法可作为计算传输可靠度的通用方法；

对于任务剖面阶段w中的业务j，传输可靠度的蒙特卡罗仿真方法如下：

1)初始化总时延小于等于阈值Y_j的次数，令N_T＝0；

2)从参数为的指数分布中抽取随机数t_i，i＝1,2,...,n；

3)计算若t≤Y_j，令N_T＝N_T+1；

4)重复2)和3)总计N_sim次；

5)计算R^(j)＝N_T/N_sim；

步骤六：计算任务可靠度：

定义“任务可靠度”为任务剖面中每一阶段的每一业务的信息包传输总时延均小于等于对应的规定时延阈值的概率；

当任务剖面中每个阶段的每个业务均满足时延要求时，整个任务满足要求；反之，只要存在至少一个业务不能满足时延要求，任务失败；依据可靠性理论可知，计算任务可靠度的数学模型应采用串联模型；于是，如果任务剖面包含总共M个业务，则任务可靠度R为所有业务的传输可靠度的乘积，即

式中：R^(j)是业务j的传输可靠度；

通过上述步骤，达到了对多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性水平进行定量分析的目的，符合工程上的现实需要，解决了复杂情形下编队无线通信网络的可靠性评估问题，考虑了实际需求、通信特点和传输机制，保证了分析过程科学、合理且贴近实际情况，可靠性评估结果具有可信性，同时，所提方法计算简单，方便工程技术人员使用，具有较强的应用价值；

其中，在步骤一中所述的“信息包”，是指诸如报文、话音或视频等信息被划分成的最小单元；所述的“错误包”，是指误码比例大于等于规定阈值的信息包；所述的“误包率”，是指产生错误包的概率；所述的“业务”，是指编队无线通信网络为完成任务进行的诸如报文、话音或视频等不同类型的信息传递行为；

其中，在步骤二中所述的“任务剖面”，是指编队无线通信网络在完成任务这段时间内所经历的事件的时序描述；所述的“通信节点”(简称“节点”)，是指装配有无线通信设备的个体，例如：携带便携式无线电设备的步兵、装配有无线通信设备的车辆、装配有无线通信设备的舰船等；

其中，在步骤四中所述的“时延分布”，是指某个业务的信息包在传输过程中，在某个节点上消耗时间的分布；

其中，在步骤五中所述的“总时延”，是指某个业务的信息包从发送终端到接收终端，在所经历的所有节点上消耗时间的总和。

(3)优点：

本发明提出了一种多阶段多业务下编队无线通信网络可靠性评估方法，即一种多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性评估方法，其优点如下：

①本发明定量分析了多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性水平，符合工程上的现实需要，解决了复杂情形下编队无线通信网络的可靠性评估问题；

②本发明考虑了实际需求、通信特点和传输机制，保证了分析过程科学、合理且贴近实际情况，可靠性评估结果具有可信性；

③本发明提出的可靠性评估方法计算简单，方便工程技术人员使用，具有较强的应用价值。

④

附图说明

图1是本发明所述的方法流程图。

图2是某舰船编队的任务剖面，包含3个阶段、4个业务。

图3是某舰船编队的业务示意图，涉及5个节点(即装配有无线通信设备的舰船)，节点间的箭头表示相应业务信息包的传递方向；具体而言，

业务1：节点1产生信息包，经由节点2，最终传递给节点3；

业务2：节点1产生信息包，经由节点4，最终传递给节点5；

业务3：节点3产生信息包，经由节点2，最终传递给节点1；

业务4：节点5产生信息包，经由节点4，最终传递给节点1。

具体实施方式

本发明提出了一种多阶段多业务下编队无线通信网络可靠性评估方法，即一种多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性评估方法，其流程图如图1所示。

以某舰船编队的无线通信网络为例，对本发明做进一步详细说明。舰船编队的任务剖面如图2所示；业务示意图如图3所示；4个业务的信息包生成速率相同，λ^(j)＝5/秒，j＝1,2,3,4；每个业务信息包的标准长度相同，L＝1024比特；每个节点的信息包处理速率相同，μ＝15/秒；误码率p_误码＝0.001；丢包率p_丢包＝0.01；误码比例的阈值K＝0.005；4个业务的时延阈值相同，Y_j＝1秒，j＝1,2,3,4。

具体实施步骤如下：

步骤一：计算每个业务的误包率：

4个业务的误包率相同，计算得到

式中：表示上取整运算；

步骤二：分析任务剖面中每个阶段每个业务每个节点上信息包的到达和离开速率：

依据表1和表2分析得到了任务剖面中每个阶段每个业务每个节点上信息包的到达和离开速率，并联立方程组，进而解得了所有未知参数。

阶段1、业务1：

阶段1、业务2：

阶段2、业务3：

阶段3、业务4：

式中：是对于业务1，节点1完成信息处理的速率；是对于业务1，节点2完成信息处理的速率；是对于业务1，节点3完成信息处理的速率；是对于业务2，节点1完成信息处理的速率；是对于业务2，节点4完成信息处理的速率；是对于业务2，节点5完成信息处理的速率；是对于业务3，节点3完成信息处理的速率；是对于业务3，节点2完成信息处理的速率；是对于业务3，节点1完成信息处理的速率；是对于业务4，节点5完成信息处理的速率；是对于业务4，节点4完成信息处理的速率；是对于业务4，节点1完成信息处理的速率；

步骤三：计算任务剖面每个阶段每个节点上信息包的有效到达速率：

阶段1：

阶段2：

阶段3：

式中：是任务剖面阶段1中节点1的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段1中节点2的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段1中节点3的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段1中节点4的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段1中节点5的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段2中节点1的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段2中节点2的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段2中节点3的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段3中节点1的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段3中节点4的信息包的有效到达速率；是任务剖面阶段3中节点5的信息包的有效到达速率；

步骤四：计算任务剖面每个阶段每个节点上时延分布的参数：

阶段1：

阶段2：

阶段3：

式中：是任务剖面阶段1中节点1上时延分布的参数；是任务剖面阶段1中节点2上时延分布的参数；是任务剖面阶段1中节点3上时延分布的参数；是任务剖面阶段1中节点4上时延分布的参数；是任务剖面阶段1中节点5上时延分布的参数；是任务剖面阶段2中节点1上时延分布的参数；是任务剖面阶段2中节点2上时延分布的参数；是任务剖面阶段2中节点3上时延分布的参数；是任务剖面阶段3中节点1上时延分布的参数；是任务剖面阶段3中节点4上时延分布的参数；是任务剖面阶段3中节点5上时延分布的参数；

步骤五：计算每个业务的传输可靠度：

由于部分节点上时延分布的参数较为接近，采用蒙特卡罗仿真方法计算每个业务的传输可靠度，取仿真总次数N_sim＝100000，计算得到

式中：R⁽¹⁾是业务1的传输可靠度；R⁽²⁾是业务2的传输可靠度；R⁽³⁾是业务3的传输可靠度；R⁽⁴⁾是业务4的传输可靠度；

步骤六：计算任务可靠度：

最终得到舰船编队无线通信网络的任务可靠度为

式中：R是任务可靠度；

综上所述，本发明提出了一种多阶段多业务下编队无线通信网络可靠性评估方法，即一种多阶段、多业务任务剖面下的编队无线通信网络的可靠性评估方法，面向实际工程需求，针对任务剖面包含多阶段、多业务的复杂情形，分析了丢包、误码和重传机制等影响因素，分析过程科学、合理且贴近实际情况，可靠性评估结果具有可信性，同时，所提方法计算简单，方便工程技术人员使用，具有较强的应用价值。