云模型下的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)的干擾效能評估*

聶 浩，蔡曉霞，陳 紅，姜 麗

（國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，合肥 230037）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)是當(dāng)今軍事斗爭的最主要斗爭形式，是信息化條件下“敢打必勝”的保證。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的“無中心、自組織、無需基礎(chǔ)設(shè)施支持”的特點(diǎn)［1］，奠定了它在當(dāng)今軍事斗爭中的戰(zhàn)略意義。在當(dāng)代局部戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)用更是戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用的典型代表，其中通信網(wǎng)絡(luò)的效能評估是為指戰(zhàn)員提供作戰(zhàn)準(zhǔn)備的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，往往決定了戰(zhàn)爭的勝負(fù)。

1 戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)

1.1 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)是戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，主要由UHF電臺(tái)網(wǎng)、超短波電臺(tái)網(wǎng)、單兵通信系統(tǒng)組成，是機(jī)動(dòng)中各作戰(zhàn)要素主要的通信保障網(wǎng)絡(luò)，既可與上級骨干網(wǎng)相互融合構(gòu)成完整的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，也可獨(dú)立組網(wǎng)應(yīng)用。

美軍旅和旅以下戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)主要由近代數(shù)字電臺(tái)（NTDR）、增強(qiáng)型位置定位報(bào)告系統(tǒng)（EPLRS）和單信道地面和機(jī)載無線電系統(tǒng)（戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)）等構(gòu)成［2］。圖1給出了美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次圖。

圖1 美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次圖

1.2 指標(biāo)體系

戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)作為戰(zhàn)時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)，通信干擾實(shí)施前后，網(wǎng)絡(luò)的效能變化直接影響其系統(tǒng)功能。從業(yè)務(wù)角度來看，主要從響應(yīng)能力和有效性兩類指標(biāo)入手進(jìn)行分析。與此同時(shí)，結(jié)合戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)的戰(zhàn)術(shù)特性，增加抗毀性和戰(zhàn)場環(huán)境這兩個(gè)指標(biāo)，將能更好地反映干擾前后戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)的效能變化。

響應(yīng)能力主要從時(shí)延、路由開銷、吞吐量和丟包率來進(jìn)一步表示，反映了戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)固有的結(jié)構(gòu)屬性和處理通信業(yè)務(wù)數(shù)量與質(zhì)量的能力；有效性反映了網(wǎng)絡(luò)合理利用資源能力，主要包括信道利用和節(jié)點(diǎn)利用兩個(gè)方面；抗毀性實(shí)質(zhì)是研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性，主要體現(xiàn)在隱蔽性能和機(jī)動(dòng)性能兩方面；戰(zhàn)場環(huán)境主要考慮到地理和氣象對評估體系的影響。具體的干擾效能評估指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 干擾效能評估指標(biāo)體系圖

2 云模型的介紹與分析

在戰(zhàn)場環(huán)境下，不同的戰(zhàn)時(shí)任務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)的效能屬性和通信能力有不同的要求，這就要求在同一評估模型下，對大量復(fù)雜的指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)定性定量轉(zhuǎn)化的同時(shí)，形成最終的效果評估。本文給出云模型下戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)的干擾效能評估模型，解決不確定條件下數(shù)據(jù)集成和綜合評估問題。

2.1 云模型發(fā)展的歷程

云模型在1995年，由中國工程院李德毅院士提出，主要用來處理定性概念與定量描述的不確定轉(zhuǎn)換模型［3］。期間主要經(jīng)歷了理論形成、理論完善和應(yīng)用拓展3個(gè)階段，如表1所示。

表1 云模型發(fā)展歷程表

2.2 云模型的基本概念

云模型中，普通集合，是精確數(shù)據(jù)值表示的定量論域，C是U上的定性概念，若定量值，且x是C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x對C的隸屬度［4］是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)，則x在論域U上的分布稱為云，每個(gè)x稱為一個(gè)云滴。

云是用語言值來反映自然語言中概念的不確定性，反映了隨機(jī)性和模糊性的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)成定量與定性之間的映射。概念的整體特性用云的數(shù)字特征來反映，分別為期望 Ex、熵 En和超熵 He，即（Ex，En，He）。期望Ex是論域在空間分布的期望，表示最能夠代表定性概念的點(diǎn)；熵En主要用于度量不確定的程度，反映了模糊性與隨機(jī)性的關(guān)聯(lián)性［5］；超熵He是熵的不確定性度量，反映了數(shù)據(jù)的凝聚性。

2.3 云方法在通信干擾中的應(yīng)用

為了評估通信干擾系統(tǒng)的效能，必須采用某種定量尺度去度量通信干擾系統(tǒng)的效能，這種定量尺度稱為效能指標(biāo)或效能度量［6］。干擾效能評估指標(biāo)通過分級表示，一級指標(biāo)有響應(yīng)能力A1、有效性A2、抗毀性A3以及戰(zhàn)場環(huán)境A44個(gè)要素組成。進(jìn)而對一級指標(biāo)進(jìn)行了分類歸納，建立了10個(gè)對應(yīng)的二級指標(biāo)。本文對響應(yīng)能力下的4個(gè)指標(biāo)作進(jìn)一步研究。

時(shí)延［7］：一個(gè)報(bào)文或分組從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一個(gè)端所需要的時(shí)間。它包括了發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延。

路由開銷［8］：節(jié)點(diǎn)受擾后，數(shù)據(jù)重傳會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間頻繁查找路由，網(wǎng)絡(luò)中路由消息洪泛會(huì)使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁堵。統(tǒng)計(jì)的路由消息總數(shù)（NOC）主要包括請求消息（NREQ）、回復(fù)消息（NREP）以及錯(cuò)誤消息（NERR）的總和。路由開銷統(tǒng)計(jì)方式如下：

吞吐量［9］：吞吐量是指對網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、端口、虛電路或其他設(shè)施，單位時(shí)間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量（以比特、字節(jié)、分組等測量）。

丟包率［10］：丟包率是指測試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)組的比率。計(jì)算方法如下：

RPL指丟包率，SIN表示輸入報(bào)文，SOUT表示輸出報(bào)文。

3 云模型下的效能綜合評估模型

3.1 云發(fā)生器

云發(fā)生器由正向云和逆向云兩種發(fā)生器組成，前者由定性描述轉(zhuǎn)化為定量分析，后者由定量分析轉(zhuǎn)化為定性描述。

圖3 云發(fā)生器計(jì)算流程圖

正向云發(fā)生器，通過計(jì)算期望、熵和超熵3個(gè)數(shù)字特征［7］，生成N個(gè)云滴，組成一個(gè)完整的云，進(jìn)而將定性描述轉(zhuǎn)化成定量的分析。逆向云發(fā)生器，利用現(xiàn)有的N個(gè)云滴，通過逆向計(jì)算得到3個(gè)數(shù)字特征。如圖3所示，分別給出了正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器的計(jì)算流程圖。

3.2 建模步驟

3.2.1 初始化云模型

在網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)體系中，有通過數(shù)據(jù)定量分析的，也有用語言定性描述的。提取n組相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)組成決策矩陣［7］B，那么定量分析的相關(guān)指標(biāo)可以組成一個(gè)云模型。其中：

當(dāng)然，定性描述的相關(guān)指標(biāo)也可以組成一個(gè)云模型。其中：

3.2.2 擬定系統(tǒng)狀態(tài)

戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)往往用多維綜合云進(jìn)行表征，其中指標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)的個(gè)數(shù)對應(yīng)著綜合云的維數(shù)。其中重心是一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)，假設(shè)在m維綜合云中，重心一般表示為反映其位置，bi反映其高度。在戰(zhàn)時(shí)干擾環(huán)境下，系統(tǒng)狀態(tài)的變化，必然導(dǎo)致綜合云形狀的變化，進(jìn)而反映在云的重心發(fā)生偏移，一般表示為。

3.2.3 確定指標(biāo)權(quán)重

確定權(quán)重的方法，大致分為主觀權(quán)重算法和客觀賦權(quán)法［11］。主觀賦權(quán)法如特征向量法、最小平方法、專家咨詢等；客觀賦權(quán)法如熵法、多目標(biāo)最優(yōu)化方法、主成分分析法等。本文采用結(jié)合戰(zhàn)時(shí)場景下的專家咨詢方法，確定各指標(biāo)因素的權(quán)重wi。表2體現(xiàn)了戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)在戰(zhàn)時(shí)主要面臨的部分場景：

表2 場景分類表

本文在場景2下對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合專家咨詢的方法對指標(biāo)進(jìn)行評估，通過咨詢專家，主要對響應(yīng)能力下的4個(gè)指標(biāo)分兩步進(jìn)行確定權(quán)重。如表3所示，對場景2下指標(biāo)的重要性進(jìn)行初步確定，此次進(jìn)行專家評分，最終確定權(quán)重wi=（0.425，0.155，0.235，0.185）。

表3 指標(biāo)重要性評判表

3.2.4 計(jì)算加權(quán)偏離度

在m維綜合云模型中，重心向量，其中位置向量，高度向量。網(wǎng)絡(luò)受到干擾后，重心向量變?yōu)?，進(jìn)一步分析處理，可得。其中：

最后對式（7）歸一化后的指標(biāo)值進(jìn)行加權(quán)求和后再取均值，可得加權(quán)偏離度的值為：

3.2.5 確定評估模型評語集

構(gòu)成云發(fā)生器，其中評語集V=（極弱，非常弱，弱，比較弱，一般，比較強(qiáng)，強(qiáng)，非常強(qiáng)，極強(qiáng)），如圖4所示。

圖4 評估模型評語集

4 仿真驗(yàn)證

通過對OPNET組網(wǎng)的研究，仿真建立如圖5所示的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)。由于戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)多數(shù)為手持式單兵電臺(tái)，有效通信距離為3 km～5 km，所以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)大小為15 km*15 km。

圖5中模擬20個(gè)節(jié)點(diǎn)，采取隨機(jī)分布的方式分布于連排級范圍區(qū)域內(nèi)。進(jìn)而對其中部分節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行抑制，以達(dá)到模擬受干擾的狀態(tài)。如圖6～圖11所示，分別反映了響應(yīng)能力下的時(shí)延、吞吐量、丟包率、請求信息、回復(fù)信息以及錯(cuò)誤信息干擾前后的對比分析關(guān)系。

其中圖6～下頁圖8分別單獨(dú)反映正常網(wǎng)絡(luò)和被干擾后該指標(biāo)的變化；下頁圖9～圖11分別顯示了路由協(xié)議下請求信息量、回復(fù)信息量及錯(cuò)誤信息量的對比情況。根據(jù)2.3節(jié)中，提到的式（1）可以分析路由開銷裝在干擾前后的變化。

通過對正常情況和干擾情況的分析，對兩類數(shù)據(jù)做最直接的相比處理，得到4項(xiàng)指標(biāo)在干擾前后變化的百分?jǐn)?shù)，作為數(shù)據(jù)指標(biāo)組成決策矩陣。

圖5 戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)組網(wǎng)圖

圖6 時(shí)延對比分析圖

圖7 吞吐量對比分析圖

圖8 丟包率對比分析圖

圖9 路由請求信息對比分析圖

圖10 路由回復(fù)信息對比分析圖

圖11 路由錯(cuò)誤信息對比分析圖

整個(gè)模擬仿真時(shí)間為3600 s，以延時(shí)為例，對仿真結(jié)果每36 s取值一次，得到如表4的結(jié)果，其他指標(biāo)類似。

表4 識別結(jié)果對比表

結(jié)合表4，其中的5個(gè)狀態(tài)如表5所示，對其進(jìn)行等時(shí)間間隔的抽取，并分別進(jìn)行計(jì)算，得到期望和熵如表6所示。

表5 識別結(jié)果對比表

表6 識別結(jié)果對比表

由3.2節(jié)計(jì)算得出4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重wi=（0.425，0.155，0.235，0.185），則加權(quán)綜合云重心向量T=（0.332775，0.098115，0.126195，0.120435），理想狀態(tài)加權(quán)綜合云重心向量T0=（0.425，0.155，0.235，0.185），歸一化后得TG=（0.217，0.367，0.463，0.349）。再通過式（8）計(jì)算加權(quán)偏離度為0.32248，進(jìn)而可得干擾效能值為0.67752。該值處于“強(qiáng)”和“比較強(qiáng)”兩個(gè)指標(biāo)之間，且更靠近于“強(qiáng)”這一指標(biāo)。

5 結(jié)論

對于戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)的干擾效能評估，在運(yùn)用OPNET組網(wǎng)軟件進(jìn)行組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)而得到各指標(biāo)的仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)而較好地結(jié)合云模型理論，對戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中典型的電臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行具體分析，實(shí)踐證明了該方法的合理性和有效性。下一步將會(huì)在指標(biāo)的選取和權(quán)重的確定上做進(jìn)一步探究，并將云模型下的效能評估與其他方法的效能評估進(jìn)行對比分析。

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