提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法探討

【摘要】文章通過分析得出了影響通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的因素,從提高節(jié)點/設(shè)備的可靠性、優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)、使用網(wǎng)絡(luò)保護與恢復(fù)技術(shù)、使用差錯控制技術(shù)等幾個方面詳細介紹了提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法和需要注意的問題。

【關(guān)鍵詞】通信網(wǎng)絡(luò) 可靠性 拓撲結(jié)構(gòu) 保護與恢復(fù) 差錯控制

通信網(wǎng)絡(luò)在運行過程中往往會出現(xiàn)設(shè)備故障、鏈路失效、信道擁塞、通信中斷等問題,嚴重影響用戶的正常使用。這些問題都與通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性有關(guān)。目前對于通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究集中于可靠性的計算和評估方法,而對于如何提高可靠性涉及的不多。因此,研究提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法并付諸實際,有助于改善通信網(wǎng)絡(luò)的性能,對通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進一步發(fā)展也具有重要意義。

1 通信網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

我國的國家標準規(guī)定了產(chǎn)品的可靠性定義:產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[1]。由定義可知,它包含產(chǎn)品、規(guī)定條件、規(guī)定時間、規(guī)定功能和概率(即測度)等5項要素。

通信網(wǎng)絡(luò)與一般產(chǎn)品既有共性也有區(qū)別。對于通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性,研究人員提出了不同的定義,有的強調(diào)生存性,有的強調(diào)可用性,有的強調(diào)有效性,不一而足。其中之一為:通信網(wǎng)可靠性是指通信網(wǎng)在實際連續(xù)運行過程中完成用戶的正常通信需求的能力[2]。它既包含了網(wǎng)絡(luò)的生存能力和可用性,也反映了網(wǎng)絡(luò)對用戶需求的適應(yīng)能力;既研究網(wǎng)絡(luò)正常運行情況下的可靠性,也研究異常情況下的可靠性,是對整個網(wǎng)絡(luò)運行過程的綜合測度。這一定義包括了可靠性主體、規(guī)定條件、規(guī)定時間、規(guī)定功能和概率等五項要素,與產(chǎn)品的可靠性定義相當吻合,同時又突出了通信網(wǎng)絡(luò)自身的特點。

通信網(wǎng)是由傳輸、交換、終端設(shè)施和信令過程、協(xié)議以及相應(yīng)的運行支撐系統(tǒng)組成的復(fù)雜綜合系統(tǒng),影響其可靠性的因素很多,具體可以分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素指設(shè)備可靠性、網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)的組織和維護管理等;外部因素是指通信設(shè)備和通信網(wǎng)所依存的環(huán)境條件。通過理論分析和工程實踐相結(jié)合,這里總結(jié)出影響通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的因素如下:

◆通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成部件的可靠性;

◆通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu);

◆通信網(wǎng)絡(luò)的故障診斷能力;

◆通信網(wǎng)絡(luò)的保護與自我恢復(fù)能力;

◆通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量;

◆通信網(wǎng)絡(luò)的管理與維護;

◆通信網(wǎng)絡(luò)的運行環(huán)境;

◆其它影響通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的因素。

2 提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法

2.1 提高節(jié)點/設(shè)備的可靠性

通信網(wǎng)絡(luò)的連通性變差將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞,網(wǎng)絡(luò)時延和吞吐量等性能指標下降,進而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)下降。造成網(wǎng)絡(luò)連通性變差的原因主要是節(jié)點失效和鏈路失效,而節(jié)點失效的影響往往更大。因此,提高節(jié)點/設(shè)備的可靠性、降低失效率,是提高通信網(wǎng)絡(luò)連通性最直接的辦法。

通信網(wǎng)絡(luò)的組成設(shè)備基本上屬于電子設(shè)備,影響電子設(shè)備可靠性的因素主要包括所采用元器件的可靠性、電路結(jié)構(gòu)、制造工藝、使用環(huán)境和操作使用等。提高電子設(shè)備可靠性可采用以下方法:

(1)簡化設(shè)計:設(shè)備的可靠性與其復(fù)雜程度成反比,在滿足指標要求的前提下應(yīng)盡量簡化設(shè)計;

(2)余度設(shè)計:為重要部件和易損部件設(shè)置備份,一旦發(fā)生故障便啟用備份部件;

(3)故障樹分析:通過分析可能發(fā)生故障的原因,尋找設(shè)計漏洞,以改進設(shè)計;

(4)熱設(shè)計:溫度對電子元器件影響很大,通過熱設(shè)計確定設(shè)備在環(huán)境溫度過高或過低時應(yīng)采取的措施;

(5)機械應(yīng)力的防護設(shè)計:采取加固、減震等措施,降低沖擊、振動等機械應(yīng)力的影響;

(6)電磁兼容性設(shè)計:減少傳導(dǎo)、輻射耦合等各種電磁干擾,使設(shè)備的性能不至降低;

(7)元器件篩選:選擇經(jīng)特性測試正常的元器件施加外應(yīng)力,剔除不合格的元器件;

(8)元器件的降額使用:選擇額定指標高的元器件,使其工作條件始終低于額定指標;

(9)軟件可靠性設(shè)計:采取避錯設(shè)計、查錯設(shè)計、糾錯設(shè)計和容錯設(shè)計等方法提高軟件可靠性。

2.2 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

一般來說,環(huán)形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)的可靠性總是要好于鏈形網(wǎng)和樹形網(wǎng),在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時多使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)是提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的有效辦法。而一味追求網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化也不可取,還必須考慮到網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本是否合理。

規(guī)模較大的通信網(wǎng)通常可分為核心網(wǎng)和接入網(wǎng),相應(yīng)地網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點也分為核心節(jié)點和接入節(jié)點。核心網(wǎng)處于整個通信網(wǎng)絡(luò)的核心,承載的業(yè)務(wù)量大,對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響也比較大。因此,綜合考慮網(wǎng)絡(luò)可靠性和建設(shè)成本,可以在核心網(wǎng)采用網(wǎng)狀或環(huán)形結(jié)構(gòu),接入網(wǎng)采用鏈形或樹形結(jié)構(gòu),組成復(fù)合型的拓撲結(jié)構(gòu)(如圖1)。

對于已經(jīng)投入使用的網(wǎng)絡(luò),也可以通過對拓撲結(jié)構(gòu)的微調(diào)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。例如,在鏈形網(wǎng)兩端節(jié)點之間增加一條鏈路以組成環(huán)形網(wǎng),就是一種有效的辦法。

2.3 使用網(wǎng)絡(luò)保護與恢復(fù)技術(shù)

增強通信網(wǎng)絡(luò)的生存性,減小鏈路失效對通信網(wǎng)絡(luò)的影響是提高通信網(wǎng)可靠性的有力措施。通信網(wǎng)絡(luò)的生存機制包括保護與恢復(fù)兩種。保護機制的基本思想是預(yù)先規(guī)劃一部分冗余容量作為備用系統(tǒng),當傳輸線路或者節(jié)點出現(xiàn)故障時,將受故障影響的主用系統(tǒng)迅速倒換到備用系統(tǒng)上;恢復(fù)機制是指網(wǎng)絡(luò)失效后,動態(tài)尋找可用資源并采用重新選路的方式繞過失效部件。表1列出了通信網(wǎng)絡(luò)幾種生存技術(shù)的對比:

在工程應(yīng)用中,需要注意以下幾個方面:

(1)線型保護包括1+1、1:n和m:n三種方式。1+1方式屬于專有保護方式,最可靠但利用率也最低;1:n和m:n屬于共享保護方式,資源利用率相對較高。線型保護資源利用率低、成本高,多數(shù)網(wǎng)絡(luò)不必實現(xiàn)全保護,可以優(yōu)先保障對通信網(wǎng)絡(luò)可靠性影響較大的鏈路[3]而在可靠性和成本之間尋求平衡。

(2)針對不同的業(yè)務(wù)應(yīng)該采取不同的保護恢復(fù)策略。對QoS要求很高的專線業(yè)務(wù),可以采用永久1+1的保護方式,取得極高的可用性;對于實時性和可靠性要求較高的業(yè)務(wù),可以采用1+1保護與恢復(fù)相結(jié)合的方式;而對于實時性和可靠性要求較低的業(yè)務(wù),或那些在業(yè)務(wù)層面有冗余帶寬保護或者無需實時保護的業(yè)務(wù),可以采取動態(tài)恢復(fù)的方式。

(3)通信系統(tǒng)的不同層面(如鏈路層、業(yè)務(wù)層等)可能會同時啟用保護與恢復(fù)機制,這就涉及到層間協(xié)調(diào)問題。目前解決的方式包括兩種:a)優(yōu)先啟動低層的保護恢復(fù),當?shù)蛯硬荒芡瓿蓵r再啟動高層的保護恢復(fù),這對層間協(xié)調(diào)的要求比較高;b)優(yōu)先啟動高層的保護恢復(fù),這種方式的問題在于低層故障發(fā)生后會影響多個高層業(yè)務(wù)。

2.4 使用差錯控制技術(shù)

信道上傳輸?shù)男盘柸菀资艿叫诺纻鬏斕匦砸约霸肼暤挠绊?使得通信接收端產(chǎn)生誤碼。要提高通信的可靠性,就應(yīng)當根據(jù)信道特性,合理設(shè)計基帶信號,選擇合適的調(diào)制解調(diào)方式及發(fā)射功率,采用均衡技術(shù)消除或減少碼間串擾等。但很多情況下,僅僅這樣是不夠的,還要通過信道差錯控制來改善通信系統(tǒng)的傳輸可靠性[4]。

差錯控制有以下三種方式:

(1)自動請求重發(fā)(ARQ):當接收端發(fā)現(xiàn)差錯時,設(shè)法通知發(fā)送端重發(fā),直到收到正確的碼字為止;

(2)前向糾錯(FEC):接收端不但能發(fā)現(xiàn)差錯,而且能確定二進制碼元發(fā)生錯誤的位置,從而加以糾正;

(3)混合方式(HEC):發(fā)送端編碼具有一定的糾錯能力,接收端對收到的數(shù)據(jù)進行檢測。如發(fā)現(xiàn)有錯且未超過糾錯能力,則自動糾錯;如超過糾錯能力則發(fā)出反饋信息,命令發(fā)送端重發(fā)。

三種差錯控制方式的比較參見表2。可以看出,三種方式各有其優(yōu)缺點和使用范圍,應(yīng)結(jié)合實際應(yīng)用選擇適當?shù)姆绞健?/p>

3 結(jié)束語

除了以上介紹的幾種方法,還有流量分配、路由控制、維護管理等多種方法提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在筆者從事的工程項目中,通過各種方法的應(yīng)用,使目標網(wǎng)絡(luò)的可靠性提高了兩個級別。

可靠性是通信網(wǎng)絡(luò)的重要屬性。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大,對網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求越來越高。本文結(jié)合工程應(yīng)用提出的幾種提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法,對它們的研究對于通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)維護以及管理等方面也有參考價值和指導(dǎo)意義,有助于改善通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

參考文獻

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[4]李兵,蔡曉霞,陳紅. 差錯控制對數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性的影響[J]. 電子科技,2005(8): 34-38.★

【作者簡介】

白生謙:中國電子科技集團公司第五十四研究所工程師,碩士畢業(yè)于西安電子科技大學(xué),主要研究方向是通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)。