基于Markov理论的多维系统可靠性评价体系构建

无线通信系统可靠性是衡量网络性能的重要指标体系，可用于指导用户的个性化网络定制，提升用户的网络体验。由于新一代通信系统中海量数据业务对网络的要求呈现强异质性，网络需要更为全面多元的可靠性评估体系，用以指导网络优化、资源配置。而无线信道的随机性、用户数据生成的偶发性，使得系统可靠性成为一个随机变量。本文基于Markov理论，为无线通信系统构建多维度的可靠性评价体系，将用户数据到达过程、无线链路服务过程分别建模为泊松和指数分布，利用生灭过程描述多信道可用性的随机变化，提出系统丢包率、两次故障发生的平均时间间隔(MTBF)、平均故障时间(MDT)、平均正常运行时间(MUT)四个可靠性评估指标，并分别推导了对应的闭式表达。

无线通信系统中，多信道并联备份传输机制可允许多用户随机选择任意空闲信道接入网络，是提升频谱利用率以及用户接入概率的有效策略[1]。但无线信道的不确定性又可能会使系统承受故障的风险， 且由于遮挡或信号衰落导致的信道不可用是随机的， 在数学上， 可被建模成为一个随机过程。

在理论上， 常利用可用性和可靠性评估系统是否可以满足用户需求。可用性指的是系统可以允许用户接入，可靠性被定义为在给定的时间间隔内，系统组件在规定的条件下可以执行所需功能的概率[2]。多信道系统具有信道高利用率的特点，即用户可随机接入空闲可用的信道。多信道系统的可靠性相对而言更为复杂，而可靠性理论是建立在数学方法发展的基础上，用来评估技术组件、设备和系统的可靠性、可维护性、可用性以及安全性的方法[3]。文献[2]中利用现有无线通信网络的信道可靠性理论的定义和方法确定以时间为基础的可靠性衡量参数。T. Hößler 团队以第五代通信系统的高可靠低时延为背景，基于马尔可夫理论和可靠性理论，讨论了以时间为基础的可衡量可靠性的参数，并提出可靠性与可用性之间的关系。在之前的研究中可靠性与可用性并没有明确的区分，而现在的研究表明系统的稳态可用性与时间无关，但可靠性却随着时间的变化而变化，所以可靠性与稳态可用性之间不是可以相互替换的关系。可靠性理论中提出的以时间为基础的可靠性KPI 目前还没有被明确应用至无线通信网络中。

M. Simsek 和G. P. Fettweis 等人在2018 年发表的文章中以无线通信网络中具有瑞利衰落的多链路系统为基础，将无线通信系统建模为可修复系统[4]。用户数据的产生具有随机性和偶发性[5]，在多信道备份传输系统中，如何从理论上分析系统的可用性和可靠性，评估系统的整体性能，以此指导无线通信系统的优化是工业界和学术界都在探讨的问题，现有的可靠性理论可以给与一定的指导[6]。然而，新一代通信系统中，海量业务的爆发式涌现对网络架构提出了更高的要求。不同用户产生的业务流具有异质的统计特性，且由于业务的本质属性，业务流对网络的传输要求是强异质的，例如：语音业务对网络时延抖动的要求较高；视频业务需要网络保证延迟；5G 网络中的高可靠低时延通信类业务需要网络提供严苛