CN102148642A - 光纤通信网可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

光纤通信网可靠性评估方法，主要通过建立网络拓扑结构与业务组网相结合的可靠性评估指标体系和评估模型对光纤通信网的可靠性进行评估，为现网的改造提升、新网的规划建设以及重保方案的设计提供参考依据。本发明的技术方案是：本发明由可靠性评估指标体系部分和可靠性评估模型部分组成。可靠性评估指标体系主要基于三个方面，一是基于图论的可靠性评估指标，主要用于现网的改造优化和新网的规划建设；二是基于业务的可靠性评估指标，主要用于重保方案的设计；三是光纤通信网可靠性实时测度指标，主要用于对光纤通信网可靠性进行实时评估。可靠性评估模型部分为链形系统模型和栅格形系统模型，可以对任意规模的光纤通信网进行可靠性评估，同时适用于智能光网络的可靠性评估。

Description

光纤通信网可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及一种光纤通信网可靠性评估方法，主要建立网络拓扑结构与业务组网相结合的可靠性评估指标体系和评估模型对光纤通信网的可靠性进行评估。

背景技术

光纤通信自从问世以来，给整个通信领域带来了一场革命，它使高速率、大容量的通信成为可能。光纤通信由于具有损耗低、传输频带宽、容量大、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而备受青睐，发展非常迅速，目前我国累计敷设光缆近400万公里，累计光纤用量近8000万公里，而且光纤通信网正在向智能化方向发展。作为信息基础设施的光纤传输网络，其可靠程度直接影响我国基本信息设施的正常运转，因此建立科学、合理和量化的光传输网可靠性评估方法具有十分重要的意义。

由于受技术条件和建网思想的限制，目前光纤通信网只能通过一些简单的指标(如误码率、故障率、可通率等)来反映网络的运行情况，尚没有一套科学、合理、量化和全面反映光网络可靠性程度的评估方法，无法对光纤通信网的规划和下一步建设提出建设性建议，因此，迫切需要对光纤通信网可靠性评估方法进行研究，为光纤通信网可靠性提升奠定基础。

发明内容

本发明的目的是通过建立网络拓扑结构与业务组网相结合的可靠性评估指标体系和评估模型对光纤通信网的可靠性进行评估，为现网的改造提升、新网的规划建设以及重保方案的设计提供参考依据，进一步增强光纤通信网的生存能力和效率，为光传输网可靠性的全面提升奠定基础。

本发明的技术方案是：本发明由可靠性评估指标体系部分和可靠性评估模型部分组成。

可靠性评估指标体系部分为基于图论的可靠性评估指标、基于业务的可靠性评估指标及光纤通信网可靠性实时测度指标，其中基于图论的可靠性评估指标为图的嵌入、图的路径、平均距离和直径、路由选择、图的容错性和连通度，主要用于现网的改造优化和新网的规划建设；基于业务的可靠性评估指标为中断业务指标和影响业务指标，主要用于重保方案的设计；光纤通信网可靠性实时测度指标为服从指数分布的光纤通信网可靠性测度函数，主要用于对光纤通信网可靠性进行实时评估。

可靠性评估模型部分为链形系统模型和栅格形系统模型，可以对任意规模的光纤通信网进行可靠性评估，同时适用于智能光网络的可靠性评估。

本发明的有益效果：本发明不仅可以对现网的可靠性进行实时评估，还可以从网络拓扑和业务的角度提出网络结构设计方案、保护恢复设计方案以及重保设计方案，找出影响现有光纤传输网络可靠性的薄弱环节，为光纤通信传输网络的结构优化和规划提供合理化策略，增强光纤通信网的生存能力和效率，为光纤通信网的现网改造提升和新网建设提供依据。

具体实施方式

一、可靠性评估指标体系

可靠性评估指标体系主要包括基于图论的可靠性评估指标、基于业务的可靠性评估指标以及光纤通信网可靠性实时测度指标。

1、基于图论的可靠性评估指标研究

基于图论的可靠性评估指标主要包括图的嵌入，图的路径、平均距离和直径，路由选择，图的容错性和连通度。

(1)图的嵌入

在光纤通信网中，图的嵌入指一个大的通信网络在一些局部能模拟一些特殊的图，如圈网、环网、超立方体网等，可以带来局部性能的巨大提高。

(2)图的距离、平均距离和直径

设G是n阶连通无向图或强连通有向图，x，y∈V(G)，图的距离指G中从x到y的最短路径长度，记为d(G；x，y)；平均距离指网络中所有点对之间距离的平均值，记为μ(G)，即

直径指G中任何两顶点之间的最大距离，记为d(G)，即d(G)＝max{d(G；x，y)：x，y∈V(G)}。图的距离，平均距离和直径为度量网络的传输延迟提供了度量参数。

(3)路由选择

设G是n阶连通无向图或者强连通有向图，G中的路由选择ρ指G中所有n(n-1)个有序顶点对(x，y)之间的固定路集，记为(G，ρ)。顶点x对路由选择ρ的转发指数，即ρ确定的路径经过x的条数，记为τ_x(G，ρ)，它可以度量路由选择给每个顶点带来的负载，直接反映网络通信性能的有效性。(G，ρ)的转发指数和G的转发指数分别表示为：

τ(G，ρ)＝max{τ_x(G，ρ)：x∈V(G)}

$\mathrm{\τ}\left(G\right)=\min \{{\mathrm{\τ}}_x(G,\mathrm{\ρ}):\∀\mathrm{\ρ}\}$

(4)网络容错性和连通度

网络容错性指当网络发生故障时，系统仍能保持可接受的低性能运行的能力，其中连通度是网络容错性最重要的确定性度量参数。如果图G表示互连网络的拓扑结构，那么G的连通度κ(G)(或者λ(G))指导致网络瘫痪的所需要的最小节点个数或者线路条数。换句话说，网络能容许κ(G)-1个节点或者λ(G)-1条线路同时发生故障，而剩余网络仍能继续保持运行。

2、基于业务的可靠性评估指标研究

基于业务的可靠性评估指标主要包括中断业务指标和影响业务指标。

(1)中断业务指标

中断业务指标(Interrupted Operation Index，IOI)是评估网络中节点或链路失效后网络中断业务的带宽之和与全网传输的业务带宽之和的比值，该指标反应了由于网络故障造成的网络中断业务带宽占整个网络业务带宽的比值，体现了网络故障对网络可靠性的影响程度。具体表达式为：

$\mathrm{IOI}=\frac{\underset{y\∈I\left(x\right)}{\mathrm{\Σ}}{b}_y}{\underset{z\∈P}{\mathrm{\Σ}}{b}_z}$

式中：x  -光纤通信网中的故障集，元素为网络中的链路或节点；

I(x)-由故障集x造成的中断业务；

b-业务的带宽；

y、z-某条特定的业务；

P-网络中所有业务的集合。

(2)影响业务指标

影响业务指标(Affected Operation Index，AOI)指网络发生故障后，启动网络的自动保护(恢复)机制使得业务正常运行，这些受影响的网络业务对网络可靠性的影响程度。具体表达式为：

$\mathrm{GAI}=\frac{\frac{\underset{j=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\frac{b_j}{d_j}}{C_N^2}-\frac{\underset{j=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\frac{b_j}{{d_j}^{\′}}}{C_N^2}}{\frac{\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\frac{b_i}{d_i}}{C_N^2}}$

式中：N-网络中的节点数目；

P-受影响业务的数目；

Q-网络中配置的业务总数；

b_j-第j条受影响业务占用的带宽；

b_i-已配置的第i条业务占用的带宽；

d_j-故障发生前业务经过的跳数；

d_j′-故障发生后业务经过的跳数；

d_i-已配置的第i条业务所经过的跳数。

3、光纤通信网可靠性实时测度指标

光网络部件的可靠性一般都服从指数分布，指数分布的概率密度函数为：

$f\left(t\right)={\mathrm{\&lambda;e}}^{-\mathrm{\&lambda;t}}\left(\begin{array}{c}0\&le;t\\ 0<\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right)$

式中λ为产品的失效率，一般电子元器件的失效率都以菲特(FITs)为单位，即用(10^-9/小时)为单位。

光纤通信网可靠性分布函数为：

$F\left(t\right)={\&Integral;}_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{dt}=1-e^{-\mathrm{\&lambda;t}}$

光纤通信网可靠度函数为

$R\left(t\right)=P(T>t)={\&Integral;}_t^{\&infin;}f\left(t\right)\mathrm{dt}=e^{-\mathrm{\&lambda;t}}$

二、可靠性评估模型

光纤通信网可靠性评估模型分为两类，即链形系统和栅格形系统。

1、链形系统

一个系统，如果至少一个部件故障即导致整个系统故障，或者说只有全体部件都正常才正常，这样的系统就叫做链形系统。

整个链形系统的可靠度R_s(t)为：

$R_s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{R}_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{i}t}=e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ss}}t},(i=1,2,...n)$

式中R_i为第i个部件的可靠度，为系统的总失效率。

在链形系统中，系统的总失效率为所有部件失效率之和。链形系统的可靠性比系统中的任何一个元件的可靠性还要低。在光网络中，要提高网络的可靠性，就应该尽量避免网络中有太多的链形通路和太长的链形通路。

2、栅格形系统

N个部件构成的系统，若至少一个部件正常即正常，或者只有n个部件都故障时，系统才发生故障，这样的系统为栅格形系统。

整个栅格形系统的可靠度R_s(t)为：

$R_s\left(t\right)=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}[1-R_i\left(t\right)]=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}[1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{i}t}],(i=\mathrm{1,2},...n)$

式中R_i为第i个部件的可靠度。

栅格形系统提高了系统整体的可靠性，相当于有一个工作元件，其它的与之栅格形连接的为保护元件，这样从用户角度来看，系统的可靠性增加了。

三、本发明的技术特点

1、建立了网络拓扑结构与业务组网相结合的可靠性评估指标体系

本发明提出了基于图论和基于业务的可靠性评估指标，建立了网络拓扑结构与业务组网相结合的光纤通信网可靠性评估指标体系，该指标体系可以准确、量化、客观、全面地进行光纤通信网可靠性评估，由研究网络的静态(基于网络拓扑结构)可靠性逐渐转变为研究网络在工作中的动态(基于业务)可靠性。

2、采用两类典型系统模型对任意规模的光纤通信网进行可靠性评估，使评估过程简便易行

本发明设计了链形系统和栅格形系统两类典型的评估模型，并且给出了相应的可靠度计算方法。根据组网方式和业务配置情况，任意规模的光纤通信网都可以拆分成若干个链形系统和栅格形系统，从而对整个网络的可靠性进行评估，这样使得评估过程和方法简便易行。

3、能实时评估网络运行时刻的可靠性，具有科学性、适用性和全面性等优点

本发明提出的光纤通信网可靠性评估方法，根据网络业务的实时配置情况来动态评估网络运行时刻的可靠性，评估指标的获取方式简便易得，并且结合实际情况，可以提出光纤通信网规划以及下一步建设和管理的建议，如基于图论的网络设计方案、基于业务等级的保护恢复方案以及重保设计方案等，该方法具有科学性、适用性和全面性等优点。

4、适用于智能光网络的可靠性评估

目前光纤通信网正在向智能化方向发展，智能光网络是光纤通信网下一步发展的趋势。本发明充分考虑智能光网络的特点，结合自动保护恢复机制，设计的可靠性评估方法适用于对智能光网络进行可靠性评估，具有良好的应用前景。

四、本发明的主要贡献

1、实时评估现有光纤通信网的可靠性

本发明设计的可靠性评估方法可以对任意规模的光纤通信网进行量化评估，根据网络拓扑结构和业务配置情况，实时评估网络的可靠性，使得管理决策部门能够对光纤传输网的可靠性程度做到“心中有数”，建设、维护部门对提升网络可靠性有了衡量标准。

2、为现网改造提升和新网规划提供合理化策略

结合现网的可靠性评估数据，通过对现网网络结构、承载业务等进行研究，可以制定基于图论的网络拓扑设计方案以及业务等级的保护恢复设计方案等建议措施，提出光纤通信网规划和下一步建设的建议，为现网改造提升和新网规划提供合理化策略。

3、为重保方案的设计提供参考依据

本发明提出的可靠性评估方法可以对网络节点或链路在网络中的重要性程度进行分析，给出网络节点或链路在网络中重要性排序关系，对网络中重要的通信节点或链路优先备份或就近建立抢代通备份中心，以利于对重要节点或链路的快速抢通，为光纤通信网的网络节点或链路备份和抢代通备件中心的选址提供指导，为重保方案的设计提供参考依据。

Claims (4)

1.光纤通信网可靠性评估方法，由可靠性评估指标体系部分和可靠性评估模型部分组成，其特征在于：可靠性评估指标体系部分为基于图论的可靠性评估指标、基于业务的可靠性评估指标及光纤通信网可靠性实时测度指标。基于图论的可靠性评估指标为图的嵌入，图的路径、平均距离和直径，路由选择，图的容错性和连通度；基于业务的可靠性评估指标为中断业务指标和影响业务指标；光纤通信网可靠性实时测度指标为服从指数分布的光纤通信网可靠性测度函数。

2.根据权利要求1所述的光纤通信网可靠性评估方法，其特征在于：可靠性评估模型部分为链形系统模型和栅格形系统模型。

3.根据权利要求1或2所述的光纤通信网可靠性评估方法，其特征在于：基于图论的可靠性评估指标主要用于现网的改造优化和新网的规划建设，基于业务的可靠性评估指标主要用于重保方案的设计，光纤通信网可靠性实时测度指标主要用于对光纤通信网可靠性进行实时评估。

4.根据权利要求1或2所述的光纤通信网可靠性评估方法，其特征在于：可靠性评估模型可以对任意规模的光纤通信网进行可靠性评估，同时适用于智能光网络的可靠性评估。