2012 军 12 月 1 日
第 35 卷第 23 期
现代电子接术
Modern Electronics Technique
Dec. 2012
Vol. 35
空间通信中的网络可靠性分析
李云飞
(航天恒星科技有限公司，北京 100086)
摘 要:为研究空间通信网络的可靠性，首先介绍了空间通信环境特点及通信网络的可靠性组论基础，然后讨论了通信
网络的可靠性评价指标，包括抗毁性、生存性、有效性及其计算方法。由于网络可靠性评估涉及的因素较多且相互影响，采
用建立网络可靠性模型方法以研究网络部件失效及修复的情况，应用概率分析方法得到系统可靠性的数学模型，并给出了
系统可靠性与节点和链路可靠性的关系，可供空间网设计参考。
关键词:空间网 3 通信;可靠性;模型
中图分类号: TN915-34; TP393. 1 文献标识码 :A 文章编号: 1004-373X ~2012) 23-0045-04
AnaJysis of network reJiabiJity in space communication
LI Yun-fei
CSpace Stars Techno\ogy Co. .Ltd. . Beijing 100086. China)
Abstract: In order to research the reliability of the space communication network , the paper fi J'stly introduces the charac-
teristics of space communication environment and the theoretical basis of the reliability in communication network. Then the
specifications for evaluating and calculating the reliability of communication network , including invulnerability , survivability
and effectiveness , are discussed. Due to many factors to assess the network reliability involved and their interacts on each oth-
er , it is necessary to establish a network reliability model to determine the network component failure and repair situations. In
this paper , the probability analysis method is used to get the mathematical model of system reliability and its relationship with
node and link reliability is discussed. The research results have a reference value for the design of space network.
Keywords: space network; communications; reliability; model
。引言
随着科技的发展和社会的进步，未来在轨航天器将
会产生越来越多的通信需求。空间通信链路中，噪声会
引起较高的数据传输误码率，而空间通信中传输信息的
高价值和多样化使网络失效造成的经济损失和社会影
响更加巨大。因此研究空间通信网络的可靠性变得日
益重要。
空间通信的环境十分复杂，和陆地中的有线网络有
很大的不同，主要体现在以下几个方面:
(1)大时延:卫星的传播时延要比陆地的有线网络
大很多，通常低轨卫星的单向传播延迟为 20~25 ms ,
中轨卫星系统为 110 ~ 130 ms，同步卫星则为 250~
280 ms，而陆地上有线网络的单向传播时延一般在 5~
25 ms 之间。
(2) 高误码率:空间通信距离都很长，信号在传输
途中会严重衰减，到达地面时的信号强度非常弱，并且
通信链路经常会受到云、雾、雨等天气的影响，会产生很
收稿日期: 2012-08-06
高的误码率。典型的卫星信道的误码率为 10- 7 ~
10- 2 ，远高于地面网络的 10- 10 。
(3) 非对称信道:下行链路带宽(从卫星到地面站)
通常要远远大于反向链阳带宽，有时候比例会达
到 1 000 : 1 。
(4) 链路容量有限:与有线信道相比，无线信道可
用带宽较小。在空间通信领域中，链路容量往往受限于
功率，比特效率对于数据传输开销和链路容量来说都非
常重要。
由于影响空间网络可靠性的因素多，且彼此相关，
主要因素有网络拓扑结构、节点和链路设备的可靠性以
及网络的路由技术和控制策略等，这使网络可靠性的评
估算法较为复杂，而且随着网络规模的扩大，问题的复
杂度将急剧提高。研究网络的可靠性，需要建立相应的
可靠性模型阳，可靠性模型用于确定网络部件失效及修
复的情况，本文讨论了通信网络可靠性基础理论，网络
可靠性计算方法以及评价指标。
1 通信网络的可靠性理论基础
在通信系统中，对可靠性的分析通常有一个基本框
46 现代电子接术 2012 年第 35 卷
架。一般建立在以下的一些基本假设基础上;叫 Z
(1)被分析的所有元素只有两种状态:工作状态和
故障状态。
(2) 各个元素发生故障相互之间是独立的。
(3) 正常服务时间和修复时间都是无记忆的独立
过程而且均值恒定。
研究可靠性的对象可以分为不可修复系统和可修
复系统。对于大型系统如空间站通信网络，不能一出故
障就丢弃，而是要修复再使用，因此可靠性研究包括了
系统的可靠性和可维修性。
网络设备的故障总数与寿命单位总数之比叫"故障
率"(Failure Rat时，常用 λ 表示。假设网络设备的寿命
服从指数分布，其故障率的倒数称为平均故障间隔时间
(Mean Time Between Failures , MTBF) 0 即:
MTBF = 1/λ (1)
平均无故障时间，是衡量一个网络设备的可靠性指
标。它反映了网络设备的时间质量，是体现网络设备在
规定时间内保持功能的一种能力。具体来说，是指相邻
两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障问隔。
最常用的计算可靠性的公式是:
R = MTBF/(MTBF 十肌1TTR) (2)
对于复杂系统的可靠度计算，通常将其分解为较简
单的子系统，如果这些子系统的失效率和修复率巳知，
则可以通过计算得到复杂系统的可靠度。子系统可以
依照不同的方法构成复杂系统，最简单的如串接、并接。
串接、并接系统示意如图 1 所示。
Ð-GJ"'~
圈 1 串接、并接系统
当各个子系统独立时，串、并接系统的可靠度分别
计算如下:
Rs = IIRi (3)
R p = 1 - II cl - Ri ) (4)
双网互为备份情况下，如果认为两个网络不独立，
且这两个网络的寿命服从指数分布，则整个系统的寿命
服从如下的二维指数分布:
P{X1 > 町 ， X2 >X2}
exp[-alXj -a2X2 {Xl'与} ] (5)
如果认为两个网络的故障和修复均相互独立，则系
统的可靠性应按式(4)计算。
Z 通信网络的可靠性指标
通信网络的可靠性指标可以分为三大类，分别为抗
毁性，生存性和有效性。
抗毁性(lnvulnerability)
网络拓扑结构的可靠性，是最早提出的通信网络可
靠性指标，网络的抗毁性是指为了中断部分节点之间的
通信需要破坏的最少节点数或链路数。即在拓扑结构
完全确定的网络中，假定"破坏者具有关于网络结构的
全部资料，并采用一种确定的破坏策略"，在理想的破坏
方案作用下，网络仍然能够保持连通的能力。对于一个
抽象网络，网络的抗毁性是指至少需要破坏几个节点或
几条链路才能中断部分节点之间的联系。因此抗毁性
指标是确定性的，仅仅和网络的拓扑结构有关。
常用的描述抗毁性的指标有连接度和粘聚度。连
接度和粘聚度首先是由 Frank 等提出的。
连接度是指点连通度，是使网络不连通所应去掉的
最少节点数。对于一连通网络 G，设 CNij 为断开节点
对(i ，j)之间所有通路所需去掉的最少节点数，那么网
络的连接度为 min{CNij } 。
粘聚度又称为结合度，是指边连通度，是使网络不
连通所应去掉的最少边(弧)数。对于一连通网络 G.设
CHij 为断开节点对(i .j)之间所有通路所需去掉的最少
边(弧)数，那么网络的连接度为 min(CHij } 。
网络的抗毁性只是从图论的角度出发，把具体网络
抽象为纯图，在假定节点和链路可靠的前提下(故抗毁
性与网络部件的可靠性无关) ，把评估网络的连通度作
为可靠性指标，其计算方法的复杂度是 NP 困难问题，
因此主要的研究方向包括:小规模网络和特殊结构网络
的可靠度精确计算方法、一般网络时靠度的近似计算
方法。
相应的成果有:完全状态枚举法、容斥原理算法、因
子分解算法、不交积和算法来精确计算网络可靠度;树
型网络、可串并化网络可靠度的多项式复杂度计算法;
网络可靠度边界值的计算;网络可靠度的仿真近似计
算，最后得到一个可靠度数值或者边界值[4J 。网络抗毁
性描述了通信网络在人为破坏作用下的网络可靠性，实
际上是通信网拓扑结构的可靠性。
生存性 (Surviva bili ty)
进一步考虑网络部件的随机失效的影响而提出了
网络生存性的概念。即生存性是指对于节点和链路具
有一定失效概率的网络，在随机性破坏作用下，能够保
持网络连通的概率。
生存性是基于概率论和图论的知识提出来的，描述
第 23 期 李云飞:空闰通信甲的网络可靠性分析 47
了随机性破坏以及网络拓扑结构对网络可靠性的影响 。
生存性指标是概率性的，它不仅和网络的拓扑结构有
关，也和网络部件的故障概率、外部故障以及维修策略
等有关 。
通信网生存性是指在规定时间内，网络中任意给定
两节点之间至少存在一条路径的概率 。 对分析的范围
不同，其可靠度的意义也有所不同， 主要包括端到端的
可靠皮、h 端可靠度和全端可靠度[5J 。 其中，端到端的
可靠度是人们关心较多的指标 。
端端可靠度是指网络中任意两个节点之间存在
一条连通路径的概率 。 现在的许多文献是钊对端端可
靠度进行研究的 。 从网络节点故障与否的角度，该指标
大体可分为两类:认为节点可靠及认为节点具有一定生
存概率的情况 。
走端可靠度是指网络保持 k 个端点之间连通的概
率 . \'! IJ 网络中任意两个给定的节点子集 h 中各节点均处
于工作状态 .且各节点之间至少存在一条路径的概率 。
该指标的计算比较困难，目前解析方法只能解决比较简
单网络的 h 端可靠度问题 。
另外 ，传统的可靠性分析假设部件故障统计独立 ，
这在某些条件下也不成立 。 譬如一次地震可能导致
多个部件同时失效，一次外界打击可能导致几个部件相
继失效.此时忽略部在|二故 |璋的相关性也会高估网络的可
靠性 ，会在设计时为后期故障埋下隐患.此时应刑系统
的可靠性做出修正 。
2. 3 有效性 CAvai l abilìty)
通信网络的抗毁性和生存性只是在图论或图论与
概率论的角度来考察网络的可靠性问题，实际上讨论的
是网络的连通性问题 。 但是实际上，人们主要关心的还
是在部件故障条件下，通信网完成通信业务性能要求的
~
能力，这是基于网络业务性能的可靠性测度 。 为此必须
考虑网络的业务性能，通信网络的有效性便是一种基于
网络业务性能的可靠性指标，它指出了通信同在网络部
件随机失效条件下满足通信业务性能要求的程度 。 网
络的有效性探讨了由于网络部件失效引起网络业务性
能下降的问题，使通信网可靠性的测度更面向通信业
务、面向用户，更具直观性 。
有效性是一种基于业务性能的可靠性指标，它指出
了复杂网络在网络部件失效的条件下满足业务性能要
求的程度 。 它是衡量网络利用效率的重要测度 。 复杂
网络研究的最终目的就是要研究网络最终对人类的可
用性，即有效性，指标是基于网络部件随机失效条件下
的网络吞吐量、传输时延、丢包率等 。 目前评估有效性
主要采用网络状态法，即针对网络在各种状态下的可靠
性研究其性能，然后根据每利1 状态发生的概率进行综
合，得到网络的有效性指标 。
3 空间站网络的可靠性分析
对于空间站[6)建设控制网可采用 MIL-STD- 1 553B
网络[刊 数据通信网络可采用改进的千兆以太网 。 结
合空间站各个舱段的物理特征，可像图 2 那样设计空间
站网络 。 该图表示有一个核心舱，可以连接扩展舱和级
联舱，同时核心舱又和地面网络通过 SCPS 网络相连 。
整个千兆以太网连接成一个系统，通过网桥链接到
起 。 而 15 53 B 网络则使用一个 BC 连接到一起，级联舱
的 BC 连接之后就变成核心舱 1 5538 总线的 RT，而它
对内还是起着 BC 的作用，这样就构成了两级的管理模
式 。 同时 .1553 B 网络和千兆以太网通过 1 553B/以太
网网关转换后链接到一起 。 1 553B 网络和千兆以太网
都是通过双网互为备份来保证可靠性 。
~
脑内Jn l暨矶
。町
一一一一一 「兆以 .;;
l :-s)s lt4
- ---以k间冗世
闺 2 一种空间站通信网络核心舱建设方案
48 现代电子技术 2012 年第 35 卷
对千兆以太网口。不考虑终端节点故障，如图 2 所
示，设舱段中共有 n 个终端和 m 个中继节点，则共有
m+n 条链路(不考虑冗余链路) ，设每条链路故障的概
率为孔，中继节点故障的概率为 P" 以太网正常工作的
概率 Pj 为:
P，=(1 -p.)肘n 头。一 P，沪 (6)
对 1553B 网络，不考虑终端节点故障，设每条总线
故障的概率为瓦，则当有一条或两条总线正常，系统正
常工作，则 1553B 网络可靠性为 z
P 2 = 1- P~ (7)
由于 1553B 网络和千兆以太网都是通过双网互为
备份来保证可靠性，故系统正常工作的概率为:
P= (1 _Pj)2 必 Pz (8)
从式 (5)可知，中继节点的个数对以太网正常工作
的概率 Pj 影响较大，中继节点失效会导致与该节点级
联的中继节点网络连接中断，实际系统中可以通过配置
中继节点的冗余链路来提高系统可靠性。
4 结论
由于网络可靠性评估涉及的因素较多且相互影响，
评估网络的可靠性较为复杂，需要建立网络可靠性模型
以确定网络部件失效及修复的情况，本文论述了通信网
络可靠性基础理论，网络拓扑结构为串联和并联的网络
的可靠性。讨论了通信网络可靠性评价指标，包括抗毁
性、生存性和有效性的计算方法并给出了→种空间站网
络建设方案下的系统可靠性与节点和链路可靠性的
关系。
参考文献
[1 J 刘爱民，刘有恒.部件不可靠下的通信网业务性能分析口].
电子学报， 2002 ， 30(10):1459-1462.
[2J 周炯架.通信网理论基础[MJ. 北京:人民邮电出版社， 2009.
[3J ZHOU L , HELD M , SENNHAUSER U. Connection a-
vailability analysis of shared backuppath-protected mesh
networks [J]. Journal of Lightwave Technology , 2007 , 25
(5): 1111-1119.
[4J 陈勇.通信网可靠性的评价方法研究 [D]. 南京 2 东南大
学， 2004.
[5J 陈娟，马涛.无线网络可靠性分析与计算方法研究口].舰船
电子工程，2011 ， 31(2):153-157.
[6J 卡瑭瑭，曹军，杨晓林.空间站有效载荷真空支持系统方案
评述口J. 航天器环境工程， 2011(6):557-561.
[7J 杨东军，方伟，叶新.基于 1553B 和外部 FLASH 实现星上
FPGA 配置[J].计算机测量与控制，2012(3):804-807.
[8] 邢秀琴，姚竹亭.基于 1553B 总线的通信接口及其应用[JJ.
中北大学学报 z 自然科学版，2007 (1) :91-94.
[9J 张扬，陈鲁汉，宁波.基于 1553B 总线的航空电子设备的检
测系统设计[J].电子测量技术， 2008(4):110-112.
[10J 赵文虎，王志功，吴微，等.千兆以太网同步检测集成电路
设计[JJ. 东南大学学报 2 自然科学版 .2002(2) :161-165.
作者简介:李云飞 男， 1973 年出生，工程师。主妾研究方向为空间网络通信。
~品~岳7岳?
〈上接第 44 页)
5 结 i吾
本文针对"隧道汇聚"问题，提出一种基于多上游接
口 MLD 代理移动组播的解决方案。本方案通过在
MAG 上部署多上游接口的 MLD 代理，代替 RFC6224
中多实体的 MLD 代理，并利用"显式追踪"功能记录其
下游接口所有组成员状态。本方案不仅可以解决"隧道
汇聚"问题，而且更加简单轻便，无需额外的隧道封装开
销，有较小的组播组加入延时，比 MULTIMOB 工作组
中其他三种方案更具优势。此外，多上游接口 MLD 代
理具有很强的可扩展性，也可以在源移动的场景下解决
多实体 MLD 代理带来的问题。
参考文献
[1 J GUNDAVELLI S. RFC5213 proxy mobile IPv6 [S]. Fre-
mont: IETF , 2008.
[2J JOHNSON D , PERKINS C , ARKKO J. RFC3775 mobility
support in IPv6 [S]. Fremont: IETF , 2004.
[3J 叹::HMIDT T , WAEHLISCH M , KRISHNAN S. RFC6224
~， ''%>-'%>-岳>~击>'%>-'%>-手>
base deployment for multicast listener support in proxy mo-
bile IPv6 (PMIPv6) domains [S]. Fremont: IETF , 201 1.
[4J ZUNIGA J C , CONTRERAS L M , BERNARDOS C J ,
et al. Multicast mobility routing optimizations for proxy
mobile IPv6 CIETF draft) [S]. Fremont: IETF , 2012.
[5 J ASAEDA H , SEITE P. Multicast routing optimization by
PIM-SM with PMIPv6 (IETF draft) [S ]. Fremont:
IETF , 2012.
[6J FENNER B, HE H , HABERMAN B. RFC4605 Internet
group management protocol (lGMP) /multicast listener dis-
covery (MLD )-based multicast forwarding (IGMP I MLD
Proxying) [SJ. Fremont: IETF , 2006.
[7J DEERING S , FENNER W , HABERMAN B. RFC2710
multicast listener discovery (MLD) for IPv6 [S]. Fre-
mont: IETF , 1999.
[8J VIDA R , COST A L. RFC3810 multicast 1四ener discovery
(MLDv2) for IPv6 (Version 2) [S]. Fremont:
IETF , 2004.
[9J ASAEDA H , LEYMANN N. IGMP/MLD-based explicit
membership tracking function for multicast routers (IETF
draft) [S]. Fremont: IETF , 201 1.
