基于加權(quán)積能力向量的復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估*

周 云

（78111部隊(duì)，四川 成都 610011）

0 引 言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)日益復(fù)雜化，以光傳輸網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、短波網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、電話交換網(wǎng)、視頻傳輸網(wǎng)以及移動(dòng)通信網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)綜合構(gòu)建成為柵格化信息網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出的傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度高以及系統(tǒng)異構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn)。在面向用戶提供通信網(wǎng)絡(luò)綜合服務(wù)保障中，各種通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)功能相互關(guān)聯(lián)，影響通信網(wǎng)絡(luò)效能的指標(biāo)參數(shù)數(shù)量多，進(jìn)一步提高了通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理的復(fù)雜程度，也對(duì)綜合分析評(píng)估復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)效能提出了較高要求。

1 復(fù)雜通信指標(biāo)體系

復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)是由多種類型網(wǎng)絡(luò)組成，包括光傳輸網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、短波網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、電話交換網(wǎng)、視頻傳輸網(wǎng)以及移動(dòng)（集群）網(wǎng)等。各種通信網(wǎng)絡(luò)間相互關(guān)聯(lián)支撐，共同面向用戶提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像以及多媒體等業(yè)務(wù)。因此，在復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估時(shí)，關(guān)鍵在于建立科學(xué)合理、全面有效的指標(biāo)體系。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)專家T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出的專為解決復(fù)雜系統(tǒng)評(píng)估問(wèn)題，將定性與定量分析相結(jié)合的思維決策模型化的評(píng)估方法。它系統(tǒng)而簡(jiǎn)潔、科學(xué)合理且適應(yīng)靈活，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。層次分析法是將復(fù)雜評(píng)估問(wèn)題逐層分解的一種思維方式，可將評(píng)估目標(biāo)分解為若干獨(dú)立的子目標(biāo)，再將這些子目標(biāo)按從屬關(guān)系向下層分解，從而構(gòu)成有序相關(guān)的層次結(jié)構(gòu)[1-2]。

基于層次分析法的思維方式[3]，在復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建時(shí)，指標(biāo)體系的頂層評(píng)估總目標(biāo)為復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)效能。頂層目標(biāo)可分解為基礎(chǔ)通信、業(yè)務(wù)服務(wù)、安全保密、組織應(yīng)用以及設(shè)備修供等通信網(wǎng)絡(luò)能力，即通信能力層，進(jìn)一步分解各通信能力得到相應(yīng)關(guān)鍵通信網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，即性能指標(biāo)層，由此構(gòu)成多層次的復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估指標(biāo)體系

2 ADC效能評(píng)估模型

2.1 ADC模型

ADC模型是美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(huì)（Weapon System Efficiency Industry Advisory Committee，WSEIAC）于20世紀(jì)60年代初期為美國(guó)空軍建立的評(píng)估模型，旨在根據(jù)武器系統(tǒng)的有效性（Availability）、可信賴性（Dependability）和能力（Capacity）3大要素評(píng)估裝備系統(tǒng)，將上述要素組合成一個(gè)能表示裝備系統(tǒng)總性能的單一效能量度[4]。

ADC模型的表達(dá)式為：

式中，E為系統(tǒng)效能；A為有效性向量，表示系統(tǒng)在任意隨機(jī)時(shí)刻開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于不同狀態(tài)的概率，表達(dá)式為A=(a1,a2,…,an)其中n為狀態(tài)數(shù)；D為可信賴矩陣，描述系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于不同狀態(tài)的概率，表達(dá)式為D=(dij)n×n，其中dij為已知開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)系統(tǒng)處于狀態(tài)i、執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中系統(tǒng)處于狀態(tài)j的概率；C為能力向量，表征系統(tǒng)在已知各個(gè)狀態(tài)時(shí)完成任務(wù)的能力度量，表達(dá)式為C=[c1,c2,…,cn]T，其中ci為系統(tǒng)在狀態(tài)i條件下的能力[5-6]。

2.2 ADC模型在復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)定義

復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)為確保提供穩(wěn)定可靠的通信服務(wù)，通常采用關(guān)鍵設(shè)備主備雙機(jī)運(yùn)行模式?；诖藯l件，ADC模型在復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)定義如下。

2.2.1 有效性向量

在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)狀態(tài)主要有3種：正常態(tài)，即所有系統(tǒng)設(shè)備都工作正常，系統(tǒng)正常運(yùn)行，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠性最高；主備切換態(tài)，即系統(tǒng)主用（或備用）設(shè)備故障，備用（或主用）設(shè)備獨(dú)立工作，系統(tǒng)仍可保持正常運(yùn)行，但運(yùn)行穩(wěn)定可靠性有所降低；故障態(tài)，即系統(tǒng)主、備用設(shè)備均發(fā)生故障或配套設(shè)施嚴(yán)重故障，系統(tǒng)運(yùn)行中斷。

根據(jù)可靠性理論，有：

γ為設(shè)備正常工作的概率，MTBF為平均故障間隔時(shí)間，MTTR為平均故障修復(fù)時(shí)間，則復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有效性向量A=(a1,a2,a3)為：

2.2.2 可信賴性矩陣

在已知開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的情況下，復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中系統(tǒng)狀態(tài)會(huì)在特定時(shí)間處于3種有效狀態(tài)之一，而可信賴性矩陣反映了在這些系統(tǒng)狀態(tài)條件下完成任務(wù)的可信賴量度。復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)的可信賴性直接取決于系統(tǒng)的可靠性[7]。

根據(jù)可靠性理論，有：

λ為設(shè)備故障率，MTBF為平均故障間隔時(shí)間。

因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障時(shí)間服從指數(shù)分布，則得到設(shè)備在執(zhí)行任務(wù)中的可靠性為：

則復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可信賴性矩陣D3×3為：

2.2.3 能力矩陣

在已知開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的情況下，復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中能力矩陣是系統(tǒng)完成任務(wù)能力的度量。復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)能力矩陣C=[c1,c2,c3]T。其中，c1為系統(tǒng)處于正常狀態(tài)下的能力概率；c2為系統(tǒng)處于主備切換狀態(tài)下的能力概率；c3為系統(tǒng)處于故障狀態(tài)下的能力概率。

3 加權(quán)積能力向量

3.1 加權(quán)積能力向量計(jì)算模型

對(duì)復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)采用加權(quán)積計(jì)算模型來(lái)計(jì)算系統(tǒng)能力向量，即：

3.2 能力向量指標(biāo)賦權(quán)

3.2.1 通信能力指標(biāo)的賦權(quán)

通信能力指標(biāo)的賦權(quán)主要依靠專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)確定。通常采用德?tīng)柗品╗7]，即組織若干熟悉通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理的技術(shù)專家和通信網(wǎng)絡(luò)保障組織的業(yè)務(wù)專家，通過(guò)一定方式對(duì)各項(xiàng)通信能力指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行獨(dú)立估計(jì)。以平均估計(jì)值為基準(zhǔn)，計(jì)算各專家估計(jì)值與平均估計(jì)值的偏差，并對(duì)產(chǎn)生較大偏差的估計(jì)值進(jìn)行專家再估計(jì)，從而最終得到合理的權(quán)重值 ωi(i=1,2,…,n)。

3.2.2 通信能力性能指標(biāo)的賦權(quán)

通信能力所屬的各種性能指標(biāo)具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，通信能力性能指標(biāo)的賦權(quán)適合采用基于關(guān)聯(lián)樹分析的PATTERN法[7]。首先，針對(duì)復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)對(duì)通信能力的標(biāo)準(zhǔn)要求形成若干評(píng)估基準(zhǔn)項(xiàng)，并基于任務(wù)要求分配相應(yīng)的權(quán)值；其次，分析通信能力所屬的各種性能指標(biāo)在某個(gè)評(píng)估基準(zhǔn)項(xiàng)上的權(quán)值；最后，通過(guò)性能指標(biāo)權(quán)值與基準(zhǔn)項(xiàng)權(quán)值積后求和計(jì)算，得到通信能力各性能指標(biāo)的權(quán)重值θij( j=1,2,…,m)。

4 實(shí)例分析

依據(jù)某任務(wù)區(qū)域典型復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)（主要由光傳輸網(wǎng)、電話交換網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及視頻會(huì)議網(wǎng)構(gòu)成）的實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)評(píng)估方法進(jìn)行驗(yàn)證。各類通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備均為主備用雙機(jī)運(yùn)行保障模式。根據(jù)上述的復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，以基礎(chǔ)通信能力、業(yè)務(wù)服務(wù)能力和安全保密能力為通信能力的主要評(píng)估指標(biāo)，選取相應(yīng)的通信能力性能指標(biāo)，包括基礎(chǔ)傳輸平均可通率、網(wǎng)絡(luò)交換平均連通率、語(yǔ)音交換平均撥通率、圖像傳送平均合格率、終端服務(wù)平均滿意率、冗余服務(wù)平均冗余度、申告服務(wù)平均受理率、病毒防護(hù)的平均查殺率、安全漏洞的平均修復(fù)率、攻擊防護(hù)平均響應(yīng)時(shí)效性以及密鑰分發(fā)平均完成率。

4.1 通信網(wǎng)絡(luò)有效性向量

參考通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備典型的工作性能指標(biāo)，MTBF（平均故障間隔時(shí)間）為10 000 h，故障設(shè)備修復(fù)時(shí)間一般為30 d，即MTTR（平均故障修復(fù)時(shí)間）為720 h。則依據(jù)式（2），關(guān)鍵設(shè)備正常工作的概率為：

依據(jù)式（3），復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)有效性向量為：

4.2 通信網(wǎng)絡(luò)可信賴性矩陣

由于通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備的典型MTBF（平均故障間隔時(shí)間）為10 000 h，則依據(jù)式（4），關(guān)鍵設(shè)備故障率為：

因通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障時(shí)間服從指數(shù)分布，執(zhí)行任務(wù)時(shí)間一般為14 d，即T為336 h，則依據(jù)式（5），關(guān)鍵設(shè)備在執(zhí)行任務(wù)中的可靠性為：

依據(jù)式（6），復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)可信賴性矩陣為：

4.3 通信網(wǎng)絡(luò)能力向量

4.3.1 通信能力的賦權(quán)

采用德?tīng)柗品╗7]，依靠專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)各種通信網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行賦權(quán)估值，經(jīng)去估值偏差處理后，得到各種能力的權(quán)重值ωi（i=基礎(chǔ)通信能力，業(yè)務(wù)服務(wù)能力，安全保密能力）為：

4.3.2 通信能力性能指標(biāo)的賦權(quán)

采用PATTERN法[7]，依靠專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，給出各個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的重要性占比評(píng)估值，經(jīng)賦權(quán)算法計(jì)算后得到基礎(chǔ)通信能力、業(yè)務(wù)服務(wù)能力和安全保密能力所屬性能指標(biāo)的權(quán)重值，分別如表1、表2和表3所示。

表1 基礎(chǔ)通信能力性能指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

表2 業(yè)務(wù)服務(wù)能力性能指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

表3 安全保密能力性能指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

因此，各通信性能指標(biāo)權(quán)重θij（i=基礎(chǔ)通信能力，業(yè)務(wù)服務(wù)能力，安全保密能力）為：

4.3.3 能力向量

參考通信網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由加權(quán)積計(jì)算模型計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)能力向量。一般各通信能力性能指標(biāo)為：基礎(chǔ)傳輸平均可通率90%、網(wǎng)絡(luò)交換平均連通率90%、語(yǔ)音交換平均撥通率85%、圖像傳送平均合格率80%、終端服務(wù)平均滿意率90%、冗余服務(wù)平均冗余度0.80、申告服務(wù)平均受理率95%、病毒防護(hù)的平均查殺率90%、安全漏洞的平均修復(fù)率70%、攻擊防護(hù)平均響應(yīng)時(shí)效性0.80、密鑰分發(fā)平均完成率100%。

通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行任務(wù)處于正常態(tài)時(shí)，依據(jù)式（7）和式（8），能力值為：

通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行任務(wù)處于主備切換態(tài)時(shí)，各通信網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)值需乘以能力影響因子（一般為0.9），以反映系統(tǒng)能力有所降低的情況。依據(jù)式（7）和式（8），此時(shí)的能力值為：

通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行任務(wù)處于故障態(tài)時(shí)，能力值為C3=0。因此，通信網(wǎng)絡(luò)能力向量為：

4.4 通信網(wǎng)絡(luò)效能

綜上，將式（10）、式（13）和式（18）代入式（1），則通信網(wǎng)絡(luò)效能為：

一般的，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備故障后修復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行任務(wù)時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)的有效性和可靠性均會(huì)有所下降。假設(shè)設(shè)備MTTR（平均故障修復(fù)時(shí)間）延長(zhǎng)為1 440 h，執(zhí)行任務(wù)時(shí)間延長(zhǎng)為720 h，其他條件不變，則通信網(wǎng)絡(luò)效能為：

當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)顯著下降時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)的保障能力會(huì)有所下降。假設(shè)執(zhí)行任務(wù)時(shí)基礎(chǔ)通信能力性能指標(biāo)下降為基礎(chǔ)傳輸平均可通率70%、網(wǎng)絡(luò)交換平均連通率65%、語(yǔ)音交換平均撥通率60%、圖像傳送平均合格率60%，其他條件不變，則通信網(wǎng)絡(luò)效能為：

對(duì)比實(shí)例中不同條件下通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估數(shù)據(jù)，評(píng)估結(jié)果與通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際保障能力變化情況相符。通過(guò)分析可知，復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)的有效性向量A和可信賴性矩陣D直接受到網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備故障情況和執(zhí)行任務(wù)時(shí)間的影響，能力向量C則綜合反映了通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能的實(shí)際狀況。從實(shí)例計(jì)算結(jié)果可以看出，通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備工作穩(wěn)定可靠、設(shè)備配置運(yùn)行模式、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量等，對(duì)于提高通信網(wǎng)絡(luò)效能有著直接作用。該效能評(píng)估方法能較好地反映通信網(wǎng)絡(luò)中主要因素對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)效能的影響，方法具備合理性和可行性。

5 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估是對(duì)多種通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的整體系統(tǒng)的保障能力進(jìn)行評(píng)估。由于復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成種類多、網(wǎng)間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、影響效能因素多，因此通過(guò)對(duì)復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層的通信能力和性能指標(biāo)的分解，可準(zhǔn)確定義評(píng)估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，突出影響效能的關(guān)鍵因素。加權(quán)積能力向量計(jì)算模型針對(duì)復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)層次指標(biāo)體系，結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，能較好地度量復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)保障能力。德?tīng)柗坪蚉ATTERN賦權(quán)法的綜合運(yùn)用，能合理確定多類通信網(wǎng)絡(luò)能力指標(biāo)權(quán)重。通過(guò)對(duì)典型通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行效能評(píng)估計(jì)算驗(yàn)證，該方法的評(píng)估結(jié)果與理論分析相符，可為復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)的效能評(píng)估和優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。