[發明專利]基于解釋度與高抗毀算法的光通信網絡健壯性分析方法

在審

• 申請號: 202210002680.5
• 申請日: 2022-01-04
• 公開（公告）號: CN114301767A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 李朝鋒;嵇凌;李肖克;蔣琦;查顯偉;鐘偉;韋國富;胡芳芳;周偉娟;秦潤發;曾慶豪
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三十四研究所
• 主分類號: H04L41/0677
• 分類號: H04L41/0677;H04L41/14;H04Q11/00;G06K9/62
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 羅玉榮

1.基于解釋度與高抗毀算法的光通信網絡健壯性分析方法，其特征在于，所述方法涉及節點故障定位和節點生存保障，其中節點故障定位使用概率加權的二分圖模型，定義參數貝葉斯征兆解釋度，表示網絡節點故障與征兆之間的關系，計算參數貝葉斯疑似度作為可能故障的選擇標準，實現基于貝葉斯征兆解釋度的故障定位算法；節點生存保障根據光網絡發生故障概率計算節點間無法正常通信的概率，根據網絡發生故障的情況下所能完成的業務量占正常工作狀態下能完成的業務量比重計算網絡的抗毀能力，輸出網絡抗毀能力，最后綜合兩個計算結果側面的反映網絡的健壯性；

具體包括如下步驟：

1)節點故障定位：

依據PWBG模型表達出鏈路故障與征兆之間的關系，由鏈路故障和征兆組成的二分節點結合表示為V，如公式(1)所示：

V＝F∪S (1)，

其中，F為故障集，S為征兆集；且定義故障指向征兆的有向邊集合為E，則有E＝F×S；

定義在故障f發生的條件下，征兆s發生的概率值為p(s|f)，在確定性模型中，P_F×S＝{0,1}表示確定的集合；在非確定性模型中，P_F×S＝(0,1)表示在0～1區間范圍內；

對PWBG進一步研究，定義參數F(s_i)、S(f_i)和S_O，其中F(s_i)表示與征兆s_i關聯的所有故障的集合，S(f_i)表示與故障f_i關聯的所有征兆的集合，表示光通信網絡鏈路系統中能夠觀察到的征兆集；

根據BSD計算出可能故障的選擇標準，故障對應征兆數目越少，參數的值越粗糙，與實際故障發生的概率值相差越大；故障對應征兆數目越多，參數的值越精確，與實際故障發生的概率值相差越小；當與同一征兆相關的多個可能故障對應的征兆數目相差較大時，參數對不同故障的可能性推測的準確度相差較大，此時，容易出現故障誤判；因此引入BSED在概率加權的二分圖模型下，對獲得的貝葉斯后驗概率進行分步處理，并定義參數貝葉斯征兆解釋度α，計算貝葉斯征兆解釋度具體步驟如下：

根據貝葉斯公式求出后驗概率p(f_j|s_i)，如公式(2)所示：

其中，s_i∈S_N，f_j∈F(s_i)，p(f_j|s_i)表示征兆s_i出現的條件下，故障f_j發生的概率，p(f_j|s_i)值越大，故障f_j解釋征兆s_i的可能性越大，p(s_i|f_j)為先驗概率，表示故障f_j發生的條件下，征兆s_i出現的概率；

對于不同的故障f_j∈F(s_i)，后驗概率值p(f_j|s_i)也有所不同，因此，不同的故障f_j對于不同的征兆s_i的解釋程度也不同，通過歸一化操作得到故障f_j對征兆s_i的解釋度α(f_j,s_i)，不僅能夠保證征兆s_i能被故障集合F(s_i)中至少一個故障解釋，還可以表達出選擇某一故障f_j來解釋征兆s_i的可能性大小，從統計學角度看，α(f_j,s_i)的值可以解釋為故障f_j可以解釋征兆s_i的個數；

歸一化操作具體步驟如下：

對每一個征兆s_i(s_i∈S_N)所計算出的后驗概率p(f_j|s_i)進行歸一化計算，得到故障f_j對征兆s_i的解釋度α(f_j,s_i)，如公式(3)所示：

根據公式(3)逐一計算出可能故障f(f∈F)對于征兆集合S_N的貝葉斯征兆解釋度α(f,S_N)，α(f,S_N)值的大小表示故障f解釋征兆集合S_N中征兆的個數，α(f,S_N)值越大，故障發生的可能性越大，如公式(4)所示：

最后，對于集合F(S_N)中每個故障f的貝葉斯征兆解釋度α(f,S_N)，構成集合F_α，并對F_α中元素從大到小排序，當F_α中最有可能的前m個故障完全覆蓋了所有觀測到的征兆集合S_N時，則認為找到了最優的故障假設集合；

2)節點生存性保障：

假設隨機故障發生的概率為λ，光纖鏈路的長度ΔL為無窮小，由此可計算出此光纖鏈路發生故障的概率p(ΔL)，如公式(5)所示：

p(ΔL)＝λΔL (5)，

然后將長度為L的光纖鏈路分成N段長度為ΔL的鏈路，當每段鏈路均不發生故障時，該鏈路才處于正常工作狀態，因此，采用極限求解原理，由長度為L的光纖鏈路正常工作的概率可獲知發生故障的概率P(L)，如公式(6)所示：

考慮到光纖傳輸節點之間的傳輸中斷會導致大量數據的丟失，為了提高網絡的生存性，將GPON接入網中，采用1+1熱備份保護方式，當OLT通過檢測鏈路信息獲知主干光纖故障，進而自動發起保護倒換，啟用備用光纖傳輸數據，因此將上述網絡鏈路保護模式納入考慮范疇，當主備光纖的長度均為L，由主備份光纖同時故障的概率可計算OLT與分光器之間的鏈路正常工作的概率P₀，如公式(7)所示：

P₀＝1-(1-e^-λL)² (7)，

然后考慮到光網絡可采用具有無線功能的ONU作為MPP來完成無線域節點與光域節點之間的數據傳輸，而不具有無線功能的ONU則用于承載傳統光網絡中的業務，將光網絡的無線傳輸模式納入考慮范疇，考慮將具有無線功能的ONU之間可以通過無線路徑建立連接，從而為與ONU所連的支線光纖提供保護，然而，與不具有無線功能ONU相連的支線光纖在其故障狀態下，由于不存在冗余路徑，導致數據無法得到轉發，為了獲知網絡中支線光纖受保護情況，需要得到網絡中ONU的無線功能部署信息，引入二進制常數用于描述ONU的部署情況，表示當前的ONU是否進行了無線通信功能部署，定義如公式(8)所示：

在光網絡中，前端無線網絡能為支線光纖提供保護，即當支線光纖出現故障時，若與該支線光纖相連的ONU具有無線功能，則受故障影響的數據可以通過前端的無線節點發送到其他ONU中，因此，通過計算與ONU所連的支線光纖及與具有無線功能的支線光纖同時故障的概率可獲知ONU與分光器之間無法正常通信的概率P(ONU_i)，如公式(9)所示：

通過公式(9)可知，當參數x_i和x_j同為1時，表明ONU_i和ONU_j都進行了無線通信功能部署，且ONU_i和ONU_j之間可通過無線路徑進行數據傳輸；

在ONU與OLT之間的數據傳輸過程中，ONU通過將數據傳輸到分光器，再由分光器轉發至OLT，按照上述所得的OLT與分光器之間不能正常通信的概率及ONU與分光器之間不能正常通信的概率可知，在故障作用下，ONU_i與OLT之間能正常通信的概率P_i′，如公式(10)所示：

由于光網絡中來自用戶端端業務均匯聚到ONU中，且在ONU到OLT的上行信道采用時分多址到訪問機制，來自ONU的業務將全部傳輸到OLT中；而OLT到ONU的下行方向采用廣播機制，OLT業務將分發到所有的ONU，假設來自用戶端的業務將傳輸到ONU中，而此時ONU與OLT之間的鏈路存在故障，存在業務數據丟失的情況，而最終能成功從ONU傳輸到OLT的業務量即為網絡能完成的業務量，又假設來自ONU的業務量均相同，網絡能完成的業務量和ONU與OLT之間的通信概率有關，則可以計算出來自ONU的總業務量S(λ)，如公式(11)所示：

其中，P_i′表示某一光網絡單元ONU_i與OLT之間的通信概率，S_i(λ)表示來自某一光網絡單元ONU_i的業務量；

光網絡生存性表現為網絡抗毀能力，當網絡在故障發生的情況下所完成當業務量比正常工作狀態下完成的業務量的比重更大時，表明此種網絡的抗毀能力更強，同時網絡的生產性強度也更高，根據生存性的定義將網絡生存性強進行度量化，所得到的結果稱之為網絡可靠度，又由生存性的定義可知網絡可靠度V(λ)的具體計算方法即為網絡故障狀態下能完成的業務量與網絡正常工作下所完成業務量的比值，如公式(12)所示：

其中，N表示光網絡中ONU的數目，S(λ)表示網絡能完成的業務量，網絡可靠度大小是ONU和OLT之間正常通信概率的平均值，因此ONU和OLT之間正常通信的概率越大，網絡可靠度越強；

最后，輸出故障假設集合F_α和光網絡可靠度V(λ)，綜合故障假設集合F_α和光網絡可靠度V(λ)結果則得到光通信網絡健壯性分析。