[发明专利]一种空间信息网络端到端可靠性评估方法

权利要求书

1.一种空间信息网络端到端可靠性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、划分空间信息网络的多状态

假设空间信息网络满足：

1)空间信息网络中卫星节点和星间链路的性能状态是统计独立的；

2)卫星节点及星间链路的任意两个性能状态不重叠；

将卫星的运行周期分成z个时间片段，在每个时间片段，每条链路都有一个随机变化的剩余带宽，在多态弧网络中只考虑链路的剩余带宽；每个节点都有一个随机变化的丢包率，在多态节点网络中，只考虑节点的丢包率，节点和链路互不影响，在任意时刻，卫星节点或星间链路都处于一个确定的性能状态，而整个空间信息网络的性能状态是由这些节点及链路性能状态等级决定的；所以将空间信息网络划分为多态弧网络和多态节点网络；

A1、划分多态弧网络链路多状态

在多态弧网络中，假设链路集为L＝{1,2,...,n}，每条链路的剩余带宽W采用连续多状态随机变量分布进行描述，每条链路v的剩余带宽有k种不同的性能状态，具体划分如下：

式中，B₁≤B₂≤…≤B_k-1≤B_k，0≤B_k≤B_v，B_v为链路总带宽，对于公共链路，B_v为进行带宽分配后的分配带宽，链路性能状态集为S_v＝{0,1,2,…,k-1}；在任意时刻，链路剩余带宽只能处于S_v＝{0,1,2,…,k-1}中的一个性能状态；令X_v表示链路v剩余带宽多状态随机变量，其中X_v∈S_v，多状态随机变量以一定的概率出现，概率之间相互独立，多状态随机变量X_v对应的随机性能状态分布概率为P_vi＝P_r{X_v＝S_vi}，链路v处于各个性能状态集S_v＝{0,1,2,…,k-1}时对应的随机性能状态分布概率为{P_v1,P_v2,…,P_vk}；

A2、划分多态节点网络的节点多状态

在多态节点网络中，假设节点集为N＝{1,2,...,m}，每个节点的丢包率G采用连续多状态随机变量分布进行描述，每个节点e的丢包率有q种不同的性能状态，具体划分如下：

式中，D₁≤D₂≤…≤D_q，0≤D_q≤1，节点性能状态集为N_e＝{0,1,2,…,q-1}，在任意时刻，节点丢包率只能处于N_e＝{0,1,2,…,q-1}中的一个性能状态；令Y_e表示节点e丢包率多状态随机变量，其中Y_e∈N_e，多状态随机变量以一定的概率出现，概率之间相互独立，多状态随机变量Y_e对应的随机性能状态分布概率为P_ej＝P_r{X_e＝N_ej}，且节点e处于节点性能状态集N_e＝{0,1,2,…,q-1}对应的随机性能状态分布概率为{P_e1,P_e2,…,P_eq}；

B、计算可靠性

B1、计算多态弧网络单路径可靠性

多态弧网络端到端共有r条路径，每条路径由j条链路组成，每条链路经历Z_j个性能状态，每个性能状态对应一个剩余带宽，即链路j性能状态集对应剩余带宽分布集为且处于各个性能状态时的性能状态概率对应为式中剩余带宽多状态随机变量X_j对应带宽大小满足条件X_j≥B_L时链路是可靠的，B_L为路径L正常通信时最小支持带宽，记信息经过该链路正常通信的概率为P_Lj＝∑P_j{W_fj}；路径L中对应链路的传输时延为T_L＝{T₁,T₂,…,T_j}，将链路传输时延作为约束条件，使用串联可靠性公式得到路径L的可靠性如下：

式中，R'(L)为路径L正常通信的概率，即单路径可靠性；

B2、计算多态节点网络单路径可靠性

多态节点网络端到端共有r条路径，每条路径由除源节点外的j个节点组成，j∈{1,2,…n}，每个节点经历K_j个性能状态，每个性能状态对应一个丢包率，即节点j性能状态集对应丢包率分布集为且处于各个性能状态时的性能状态概率对应为式中则单路径由个组合性能状态构建性能状态空间，路径所有可能性能状态空间Lⁿ描述为组合性能状态最大丢包率满足QoS最大丢包率认为此组合性能状态下该路径是可靠的，按照下面公式筛选出所有满足条件的组合性能状态，计算处于该组合性能状态的概率：

式中，和分别为节点j处于对应性能状态的丢包率以及分布概率；

假设K个组合性能状态中有K_f个组合性能状态是可靠的，所有可靠组合性能状态出现的概率和即为该路径考虑节点丢包率多状态的可靠性，具体公式如下：

式中，P(i)为路径L满足QoS最大丢包率组合性能状态概率；R”(L)为多状态节点网络单路径可靠性；

B3、计算单路径综合性能可靠性

单条传输路径，路径中节点与节点之间、链路和链路之间为串联结构；每条传输路径考虑链路的剩余带宽、时延、节点丢包率作为性能指标，根据串联结构可靠性公式计算单路径多态弧网络剩余带宽多状态的可靠性、多态节点网络丢包率多状态的可靠性，使用线性权重法计算出路径综合性能可靠性；

综合考虑链路剩余带宽、节点丢包率多状态以及时延对空间信息网络端到端可靠性的影响，使用线性权重法得到单路径L综合性能可靠性，具体公式如下：

式中，a,b分别表示权重，且满足条件0≤a≤1,0≤b≤1，a+b＝1；T_i为路径中节点i对应的传输时延，R(L)为路径L综合性能可靠性；

a,b取值与业务类型相关，根据QoS业务类型使用主观权重法给定不同的权重值；对于带宽敏感业务，综合性能可靠性R(L)取决于链路剩余带宽多态可靠性P_Li，需给定较大数值作为权重系数a，即0.7≤a＜1；对于时延敏感业务空间信息网络对传输时延要求较高，通过QoS最大时延约束，删除不满足时延要求的路径，给定相等的数值作为权重系数a,b；对于可靠性敏感业务，综合性能可靠性R(L)取决于满足QoS最大丢包率组合性能状态概率P(i)，需给定较大值作为权重系数b，即0.7≤b＜1；

B4、计算空间信息网络端到端可靠性

设从源节点到目的节点有r条传输路径，多路径中路径与路径之间为并联结构，根据并联结构可靠性公式，空间信息网络端到端可靠性为：

其中，B_min为QoS最小带宽，T_i为路径i传输时延。