[发明专利]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。

主权项

1.一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，其特征在于：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预定的纠错能力，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既可以作为发送及接收终端，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即接收终端或中继节点没有接收到一信息包，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，能忽略不计；一节点上待处理的信息包即“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，能发送给节点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如下：对于业务j，如果节点i是发送终端，其作为发送终端生成信息包的速率为λ^(j)；对于业务j，如果节点i是中继节点或接收终端，其接收上级节点发送的信息包的速率为对于业务j，如果节点i是中继节点或发送终端，其由于丢包被下级节点要求重传的速率为对于业务j，如果节点i是中继节点或发送终端，其由于产生错误包被下级节点要求重传的速率为另一方面，一节点上处理完的信息包即“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如下：对于业务j，如果节点i是接收终端，其作为接收终端完成业务的速率为对于业务j，如果节点i是中继节点或发送终端，其处理完信息包后，将正确的信息包继续发送给下级节点的速率为依据排队网络理论，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；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，能解得所有未知参数；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，一节点上信息包的“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，对于处在任务剖面阶段w中的节点i，当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的指数分布；步骤五：计算每个业务的传输可靠度：对于一个业务，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)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；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；对于任务剖面阶段w中的业务j有时延阈值Yj，则传输可靠度R(j)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；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：当部分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Yj的次数，令NT＝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Nsim次；5)计算R(j)＝NT/Nsim；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，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，具有很强的应用价值。