沈阳理工大学通信工程综合实训论文.docx
- 文档编号:12248300
- 上传时间:2023-04-17
- 格式:DOCX
- 页数:41
- 大小:783.27KB
沈阳理工大学通信工程综合实训论文.docx
《沈阳理工大学通信工程综合实训论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《沈阳理工大学通信工程综合实训论文.docx(41页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
沈阳理工大学通信工程综合实训论文
摘要
随着军事通信和信息技术的发展,军事信息系统建设已经成为我军信息化建设的重要组成部分。
军用通信网作为军事信息系统的信息传输平台,承载了大量的话音、数据、图像等军事信息传输业务,是信息化条件下军队的神经网络,其系统可靠性的高低已成为影响基于信息系统的体系作战效能发挥的关键因素之一。
因此,对军用通信网系统可靠性进行科学合理的评估,已经成为我军信息化建设工程实践中的迫切需要。
作为一种人造的复杂网络类系统,军用通信网的复杂性、涌现性、层次性等特征,使得传统典的针对“金字塔”式系统的可靠性设计、分析和试验方法表现出极大的不适应。
此外,虽然当前军用通信网中各单设备可靠性定义、指标及验证问题已得到了较好地解决,但是对军用通信网系统可靠性的定义、指标参数仍处于理论探索阶段,更谈不上成熟的方法。
关键词:
军用通信网;系统可靠性;评估
目录
1研究背景与意义1
2网络可靠性评估研究现状1
2.1国内外通信网系统可靠性研究现状1
2.2国内外网络可靠性评估仿真方法研究现状4
3军用通信网系统可靠性评估研究总体设计5
3.1军用通信网系统可靠性评估研究理论基础5
3.2军用通信网系统可靠性评估研究框架6
3.3军用通信网系统可靠性评估研究思路7
4军用通信网系统可靠性评估基础理论研究8
4.1军用通信网系统可靠性概念研究8
4.1.1通信网网络结构模型8
4.1.2军用通信网的网络结构和层次抽象模型9
3.1.4军用通信网系统可靠性定义11
4.2军用通信网网络故障研究13
3.2.1网络故障研究13
3.2.2网络故障特性13
3.2.3网络故障原因、模式及影响15
3.2.5网络故障分类及判据15
5军用通信网系统指标参数体系16
5.1军用通信网系统可靠性指标参数体系研究16
4.1.2系统可靠性指标体系确立程序与原则16
4.3可靠性指标参数确立原则17
4.1.3军用通信网系统可靠性指标参数体系18
4.3.1.3网络完成性参数19
4.2军用通信网综合评估方法20
4.2.1军用通信网系统可靠性评估方法研究20
参考文献21
1研究背景与意义
随着网络技术和信息化技术的快速发展,网络已融入我们生活的每一个角落。
在民用领域,Internet、卫星电话通信网、固定电话网、移动电话和无线数据传输网等为我们的生活提供了极大便利;在军事领域,军用通信网、遥控遥测网、军
用指挥控制信息网等直接影响国防安全,尤其是军用通信网,作为军事信息系统
的信息传输平台,承载了大量的话音、数据、图像等军事信息传输业务,是信息
化条件下军队的“神经网络”,其系统可靠性的高低已成为影响基于信息系统的体
系作战效能发挥的关键因素之一。
信息化条件下的现代战争中,军事信息传输需
求的不断发展对军用通信网的系统可靠性提出了越来越高的要求,并要求在投入
使用之前就能够科学合理地对它们进行论证和验证,投入之后能够随时监控其变
化,以便于及时了解并准确掌握其系统可靠性能力变化对通信任务完成所造成的
影响。
军事通信网作为一种人造的复杂网络类系统,具有多样化的网络组成要素,
多层次的网络结构、多变的网络状态、多方向性的网络动力学演化以及多种规律
性的网络进化方式,具备了复杂网络系统的显著特点,使得传统经典的针对“金
字塔”式系统的可靠性设计、分析和试验方法,如故障树分析法,面对日趋复杂的
军用通信网系统可靠性研究表现出极大的不适应。
如故障树分析法要求故障树的
底事件是相互独立的,而网络故障具有的传播性特征使其不满足这一要求。
此外,
当前军用通信网中各组成设备的可靠性工作,无论是可靠性参数选择和指标论证
确定,还是可靠性工程试验和统计试验均有成熟的工程方法和手段,军用通信网
各系统组成单元要素在工程应用过程中的可靠性设计和验证方法已在行业中形成
了共识;而军用通信网,尤其是大型复杂军用通信网的系统可靠性定义、参数选
择和指标确定仍处于研究探索阶段,更谈不上成熟的工程验证方法。
对大型复杂
军用通信网这类复杂网络系统的定性和定量特征的深入探索、科学理解以及可能
的应用,已经成为当前极富挑战性的课题,甚至被称为“网络的新科学(New
ScienceofNetwork)”。
本论文结合国内外网络可靠性研究现状和最新研究成果,针对当前军用通信网系统可靠性评估的研究和工程实践现状,紧紧围绕军用通信网全寿命周期内中
不同人员对系统可靠性评估的不同评估需求,明确了本论文的研究框架,研究并
确定军用通信网的系统可靠性定义和网络故障定义,将网络分为设备层、网络部
件层和网络层三个评估层次,选择和建立了与之相对应的可靠性指标参数,提出
了军用通信网系统可靠性的综合评价方法和验证策略,并重点对基于OPNET网
络仿真平台的仿真计算方法进行了探索和实践。
因此,本论文研究内容对军用通
信网系统可靠性的论证、设计、规划、验证和运行维护等全寿命周期均具有重要
的军事和经济价值。
2网络可靠性评估研究现状
2.1国内外通信网系统可靠性研究现状
迄今为止,对通信网系统可靠性的研究已有大量的文献发表,它们广泛讨论
通信网系统可靠性的定义、测度、设计与综合评价方法、以及提高改善网络可靠
性的途径等。
(1)早期的研究
1955年CLee对电信交换网的研究是当前可追溯的对通信网系统可靠性最早
的研究,CLee在《AnalysisofSwitchingNetworks》一文中,首次提出了以网络
连通为规定功能的可靠性指标,将由于网络部件故障导致网络传输容量下降而引
起的阻塞定义为链路故障,确立了以“能实现连通功能的概率”为度量的端可靠度
参数。
1956年Moore和Shannon研究提出了两端可靠度这一度量参数,为网络可
靠性研究奠定了重要基础。
在1969年世界上第一个计算机网络Arpanet在美国诞生之后,网络可靠性引
起了各方面广泛的重视,也掀起了通信网系统可靠性研究的第一次热潮。
网络
可靠性的研究早期的研究是将网络连通作为“规定功能”来进行研究。
采用图论、
概率论等将物理通信网抽象为节点和链路及其相互连接关系构成的有向或无向的
图,对节点和(或)链路故障情况下的网络连通性进行研究,主要用网络抗毁性
(Invulnerability)和网络生存性(Survivability)这两个网络连通可靠性测度来衡
量。
网络抗毁性描述了假定敌人熟悉网络全部资料并选择某种确定的破坏策略
条件下的破坏通信网的难易程度。
Frank和Frisch等于1970年首先提出了网络粘聚度和连通度两个网络的抗毁性测度。
1972年Boesch、Wilkov等人提出了具
有普适条件下的网络粘聚度和连通度定义,主要是为描述网络中去掉网络部件(节
点、链路)可能会导致网络解体或节点从网络中分离出来的情形。
描述了敌人只掌握网络部分资源,并采用随机破坏策略条件下
通信网保持连通的能力。
网络任意两节点之间的端到端(all-terminalreliability)
的连通概率是通信网生存性研究的重要内容,人们主要基于图论提出了众多的计
算方法来对其进行度量,常见的计算方法包括状态枚举法、网络割集法、简单路径法等。
(2)第二阶段的研究
20世纪80年代前后,通信技术快速发展,特别是动态路由技术引入之后,
人们逐步意识到通信网连通性只是通信网正常运行的必要条件,网络容量和时延
等影响通信业务完成的因素也应在网络可靠性研究中予以考虑。
第一阶段的网
络可靠性研究主要考虑网络部件失效使得网络拓扑结构变化从而对网络连通可靠
性产生影响。
随着研究的深入,第二阶段的网络可靠性研究重点逐步转向由于网
络部件容量、网络传输时延、或网络路由策略等影响因素下的网络使用可靠性参
数的选择和计算优化上,网络有效性(Availability)和网络完成性(Performability)
是这个阶段研究的主要内容。
网络完成性描述了网络完成规定通信任务时,在网络可用度一定的条件下,
在任务剖面的任意规定时刻,通信网正常或降级完成通信服务的能力,1978年由
JohnF.Meyer教授首次提出。
网络完成性主要研究网络部件故障对网络性能。
(3)第三阶段的研究
20世纪90年代后,随着认识的深入,网络可靠性的研究对象从单纯的通信
网络研究拓展到电力网、交通运输网、遥控遥测网等各个领域。
在这个阶段中人
们针对真实网络的实际情况提出了不同的网络拓扑结构模型,引发了新的一轮网
络可靠性研究热潮。
1998年Watts等人为了体现真实网络中高聚类和小平均路径长度的特点,
提出了小世界(SW,SmallWorlds)网络模型并定义了SW图。
1999年Barrsbási
等人为了体现真实网络中连接度分布呈幂律分布的特性,又提出了无标度(SF,
scale-free)网络模型并定义了SF图。
通过众多的研究证实:
大规模人造网络系统
大都具有小世界效应(smallworldeffect)和无标度特性(scalefreeproperty),网络的拓扑结构与网络的健壮性、可靠性以及脆弱性之间存在着一定的相
关关系。
(4)近年来的一些研究
1995年芝加哥大学的MichaelSuk-YoungChwe提出通信网战略可靠性
[37]
的
概念,用对策论分析如何选择通信网。
UKERNA研究分析了影响JANET网不可靠性主要原因,如图1-1所示,认
为每一种原因与网络故障数量、公司级别和规划数量指间具有相关性。
图1-1影响JANET网络可靠性的要素示意图
AT&T网络与计算机服务机构认为,最重要的网络可靠性指标是由于软件与
硬件故障所造成的每百万次呼叫的失败次数(DPM)。
1999年ChatSrivaree-ratana和Alice.E.Smith利用人工神经网络(ANN)估
计全端网络可靠度,提出一种叫做ANN预测模型的方法。
吕久明等对军事通信网抗毁性能的神经网络方法作了研究,提出综合考虑
可靠性和延时性能的代价函数,借助自组织竞争ANN对其进行分析与仿真。
李德毅等以模糊可靠性和隶属云思想为基础,建立了系统的能力雷达图模
型,通过半实物模拟对可靠性、抗毁性和抗干扰进行统一评测。
张勇等利用云模型建立了军事短波通信系统的仿真模型,给出了抗干扰性
能仿真评估的指标,对仿真结果采用云模型及云不确定性推理进行评估。
樊鹤红等对光网络模糊可靠性评估模型进行了研究,将网络看作是具有多
个工作状态的复杂对象,在定义了网络功能的量化参数功能值的基础上,阐述了
由状态语言值云族确定的网络功能的定量描述和定性描述之间的关系,定义了多
工作状态对象的可靠性与可用性,并给出了多工作状态网络的模糊可靠性评估模
型的算法和步骤。
2.2国内外网络可靠性评估仿真方法研究现状
当前,从实现方式上分网络可靠性评估方法大致可分为三种:
(1)解析方法;
(2)仿真方法和(3)试验方法。
仿真方法是当前乃至未来军用通信网系统可靠性评估的主要途径,通过构建军用通信网系统可靠性模型,构建业务、故障、维修以及其他随机性参数模型,真实模型网络中的各种动力学行为,统计分析相应的可靠性参数。
当前关于通信网系统可靠性仿真方法按照网络建模方式分大致分为模特卡罗仿真和状态机仿真两大类。
前者主要利用当前通用的通信网性能仿真平台和工具,如OPNET、NS2、OMNEST等,依据实际网络拓扑结构、通信协议以及
业务流程等模拟构造通信系统可靠性评估网络模型,通过输入网络流量、故障分
布以及维修等随机参数,通过模特卡罗仿真统计得到相关可靠性参数;后者针对
通信网中的复杂离散事件,将网络的动态行为通过状态机进行描述,通过统计相
关状态参数分析系统可靠性水平,常见是基于Petri网的网络可靠性建模仿真方
法。
Petri网是进行离散事件动态系统建模与仿真分析的有力工具,它可以清晰自
然地描述系统中的各种逻辑关系及常见的同步、资源共享、竞争、冲突等现象。
但通常的Petri网的描述能力仍然有限,对多节点链路构成的复杂网络系统建模
时,容易造成状态组合爆炸现象,因此,有关学者又提出了有色Petri网(CPN)、
随机Petri网(SPN)、面向对象的Petri网(OOPN)等高级Petri网模型,有的模
型已用于进行网络系统可靠性问题的建模与分析,表现出了一定的优越性。
3军用通信网系统可靠性评估研究总体设计
3.1军用通信网系统可靠性评估研究理论基础
早期的通信网系统可靠性研究主要以ER随机网络模型为主要研究对象,
在SW网络模型和SF网络模型提出之后,介于规则网络和随机网络的复杂网络
成为新的研究热点。
随着大量的试验证明真实网络几乎都具有小世界效应和无标
度特性,复杂网络系统理论被引入通信网系统可靠性的研究中。
复杂网络系统理
论的研究对象是大规模复杂人造网络,如互联网、交通网、电力网以及电信网等
的拓扑结构、动力学行为等表现出的复杂性(complexity)、涌现性(emergence)、
层次性(hierarchy)等特征特性。
复杂网络系统可靠性作为复杂网络研究的
重要组成部分一直备受人们关注,当前网络的可靠性模型、相继故障产生机理及
传播模型,网络拓扑结构、网络行为与网络可靠性的关系等均是通信网系统可靠
性研究的热点。
此外,军用通信网作为一个人造的复杂系统,其可靠性的研究也符合可靠性
系统工程研究的一般原理。
可靠性系统工程的概念最早由北京航天航空大学的杨
为民教授提出。
1994年杨为民、阮镰和屠庆慈教授公开发表了《可靠性系统工
程—理论与实践》的论文,随后在《可靠性维修性保障性总论》一书中系统地阐
述了可靠性系统工程的概念和内涵,给出了可靠性系统工程的理论框架。
可靠性
系统工程方法的核心是抓住“产品故障”,从故障机理分析出发,形成了系统的
可靠性工程方法。
因此,本论文提出采用复杂网络系统理论和可靠性系统工程理论相结合来对
军用通信网系统可靠性评估开展研究。
通过分析军用通信网的拓扑结构和动力学
行为对网络可靠性的影响,研究网络故障,认识网络故障原理与机理、故障表现规律,从而运用故障规律形成军用通信网系统可靠性的综合论证、设计与分析、
试验与评价等方面的工程技术能力。
3.2军用通信网系统可靠性评估研究框架
军用通信网的论证、规划、设计、验证、运维以及使用等全
寿命周期内各阶段不同角色人员对系统可靠性评估的不同需求。
上述人员大致可分为网络设备生产人员、网络运行维护人员和网络用户三大
类。
网络设备制造生产人员在论证、设计和生产验收阶段需要系统可靠性指标来
指导研制设计、生产和检验,需要对军用通信网的固有可靠性进行评估,从而向
用户证实产品合格;军用通信网的维护维修人员则需要对通信网络枢纽的维护性、
保障性、安全性等提出要求,重点关注描述了网络在维修条件下网络维持连通性
能,其在规定的时间内能为最终用户提供通信业务的能力,要求对军用通信网的
可用性进行评估;终端用户最关心所需通信业务的通信服务质量,对网络业务的
完成情况提出了要求。
显然,不同人员的可靠性评估需求是不相同的。
因此,关于军用通信网系统可靠性评估的研究应满足上述不同人员的可靠性
评估需求才是有工程实践价值的。
军用通信网系统可靠性“是什么、评什么、如何评、在什么条
件下评,评了有什么用”等关键问题。
从事物的认识规律来看,就是首先要认识和
研究评估对象,然后选择合适的评估参数和确定相应评估方法,最终形成评估成
果的应用。
依据可靠性系统工程理论的“认识故障规律,运用故障规律,形成
技术能力”的观点来看,这些问题包含了军用通信网系统可靠性评估研究的基
础理论、基础技术和工程应用三大方面的研究内容,如图2-1所示。
我们发现,左边多了一个BrowseSCH的选项卡。
单击则进入了原理图管理器,如图10所示。
Libraries即所使用的元件库。
一般来说,默认元件库MiscellaneousDevices.lib即可满足需要。
如需使用其他如需使用其他元件库,则可按照以下步骤选择新的库文件。
图2-1军用通信网系统可靠性评估研究框架示意图
3.3军用通信网系统可靠性评估研究思路
基于不同人员对军用通信网系统可靠性的不同评估需求,依据2.2节确立军用
通信网系统可靠性评估研究框架,本论文提出如下技术方案,如图2-2所示:
图2-2军用通信网系统可靠性评估研究思路示意图
(1)分析和确定军用通信网系统可靠性评估工程需求,确定项目研究内容、
方法与思路及原则;
(2)建立符合军用通信网特点的可靠性评估网络模型,确立军用通信网系统
可靠性定义,在网络故障研究的基础上确定通信网络故障定义及判据;
(3)建立符合军用通信网网络评估需求的可靠性指标体系;
(4)确定和选择军用通信网系统可靠性综合评估方法;
(5)结合军事通信作战使命和任务,确定任务剖面构建方法;
(6)重点开展军用通信网系统可靠性评估仿真方法研究,基于OPNET仿真
软件开展结合某军用通信网开展可靠性仿真实践;
(7)根据工程实践实际,调整完善军用通信网系统可靠性评估方法。
4军用通信网系统可靠性评估基础理论研究
4.1军用通信网系统可靠性概念研究
4.1.1通信网网络结构模型
不同的通信网络根据通信需求和复杂程度的不同形成了不同的网络结构,不
同的网络结构对通信网可靠性的影响也是不同的,因此通信网网络拓扑结构是网
络可靠性研究的基础。
一般地通信网的网络结构模型大致分为规则网络模型、随
机网络模型和介于规则网络模型和随机网络模型之间的复杂网络模型三大类。
(1)规则网络结构模型
规则网络中节点及其与边的关系是遵循一定的规则,每个节点都有相同的度
数。
规则网络结构示例如图3-1所示。
全局耦合网络最近邻耦合网络星状网络
图3-1几种规则网络模型示例
新建PCB文件,在菜单中选File→New→PcbDocument,新建一张PCB图,保存。
(2)随机网络结构模型
随机网络结构的特点是网络中两节点之间的连接关系是按照某一概率随机
确定的。
特点是由于节点间可以通过路由选择线路,可靠性水平有所提高,通
信协议较为复杂。
匈牙利数学家ErdÖs和Rényi早期研究所采用的结构示意
图如图3-2所示。
图3-2随机网络演化示意图
(3)介入规则网络和随机网络之间的复杂网络模型
科学家们发现现实世界中大量的复杂网络呈现出与规则网络和随机网络
截然不同的统计特征,图3-3给出了复杂网络模型中常见的小世界网络模型和无
标尺网络模型的示意图。
图3-3介于规则网络和随机网络之间的复杂网络示例
4.1.2军用通信网的网络结构和层次抽象模型
基于上述3.1.3.1确立的研究原则,提出如下军用通信网的网络结构和层次抽
象模型:
(1)军用通信网拓扑结构由终端、节点和链路三要素构成。
其中:
终端是指面向用户,完成通信信息人机交互的网络末端。
一般包括话音终端、
数据终端、视频和图像处理终端、网络管理终端、安全管理终端等。
节点是指通信网网络拓扑中完成通信路由、交换、中继、控制等功能的网络
拓扑交叉点。
一般可分为干线节点、用户接入节点;固定台站节点、野战机动节
点等。
链路是指通信网网络拓扑中节点之间进行通信的传输链路。
一般可分为干线
链路、支线链路;卫星链路、微波链路、超短波链路等。
一个抽象后的军用通信网网络结构示意如图3-4所示。
图3-4一个抽象后的军用通信网网络拓扑结构示意图
(2)军用通信网分为设备层、网络部件层和网络层三个逻辑层次。
其中:
设备层是位于通信网络底层,是指完成独立某一特定功能的具有相对独立固
定形态,且能独立进行可靠性考核的各单设备的集合。
网络部件层位于设备层之上,是由各种完成同一网络功能的相关设备的集
合,一般通信网网络部件可分为节点设备、链路设备和等效终端三类:
节点设备是指设备层中完成交换、路由、中继和控制等节点功能设备的集合,
如交换设备、路由控制设备、中继设备等;
链路设备是指设备层中完成节点间传输功能的设备及其通信线路的集合,如
接力机、通信线缆等。
等效终端是为简化网络连接关系,模拟末端子网、终端等与军用通信网干线
网络可靠性关联较小的网络设备集合的统称,主要用于模拟这些部件对网络的行
为与特性,屏蔽内部的结构,如野战通信指挥所,战术作战小分队等。
网络层位于网络的顶端,是指有网络部件层中的节点设备、链路设备、等效
终端及其相互连接关系的总称,描述了通信网整体的功能性能,是通信网系统可
靠性评估的重点。
军用通信网网络结构层次模型示意如图3-5所示:
图3-5军用通信网网络结构层次模型示意图
(3)假定终端、节点和链路只有正常和失效两种状态。
在实际的军用通信网中由于网络性能降级使得网络部件在正常和失效之间有
多种状态,从理论上将应对每一种工作状态进行分析才能得到通信网系统的可靠
性的状态全集,然后由于网络状态空间随着网络部件数量呈指数形式增长,即出
现“状态空间爆炸”问题。
而事实上各种网络工作状态出现的概率不等,概率大
的状态数少,概率小的状态数多,为简化研究假定网络只有正常和失效两种状
态。
(4)终端、节点和链路的可靠性水平已知。
需要强调的是终端设备的可靠性水平通过经典的可靠性试验验证方法能得到
较好解决;等效终端、节点和链路等网络部件可靠性水平可通过建立节点、链路
和等效终端可靠性模型,根据终端设备可靠性水平进行计算或者直接进行可靠性
试验获得。
3.1.4军用通信网系统可靠性定义
军用通信网与一般的系统既具有某些共性,也具有其独特性。
军用通信网系
统可靠性不仅与网络本身的运行状态,还与网络承载的通信业务密不可分的。
因
此通信网的网络结构、运行过程中破坏性因素和自然失效因素、用户规模等各种
对通信网网络完成用户所需规定功能产生影响的因素均是通信网系统可靠性的
“规定条件”、这些因素的发生和存在环境就构成了通信网的内外部运行环境;通
信网络的“规定功能”是为网络的不同用户提供满足其所需要求的通信服务,服务
质量与用户的需求紧密联系,并且也会随着用户需求的发展不断提升。
规定条件包括军用通信网运行的内外部条件。
外部条件一般包括网络运行所
处的自然、地理环境、外界的气候、电磁环境等,其描述了对通信网有影响的物
理、化学、生物及其随着时间的变化规律,其主要作用与通信网络中的硬件设备,
直接影响其可靠性水平。
内部条件则包括了网络运行使用过程中网络结构、路由
策略、业务分布与种类、维修策略、操作人员素质等要求,对网络中的硬件和软
件等均有不同程度的影响。
规定的时间是指是军用通信系统满足通信需求的任务时间。
通常任务时间的
增加将会导致网络故障的出现的概率增加。
满足用户需求被确定为军用通信网的“规定功能”。
定义强调了以“满足用户需
求”的能力作为军用通信网系统可靠性研究核心内容和根本出发点,这也是与当前
质量管理理念中“顾客满意”的观点相一致的。
“满足用户需求”是指军用通信网对各类人员不同通信需求满足的能力,需要
注意的是:
(1)定义强调的“用户”不仅指军用通信网的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 沈阳 理工大学 通信工程 综合 论文