異構(gòu)海域試驗(yàn)通信網(wǎng)接入策略

晁小雨，方 勇，黨大鵬

(中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116011)

0 引 言

海域試驗(yàn)通信網(wǎng)是通過高速寬帶無線傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)陸上指揮控制中心與海上艦船、艦船與艦船間通信的專用試驗(yàn)通信網(wǎng)絡(luò)，主要保障數(shù)據(jù)、語音、視頻、時(shí)間統(tǒng)一等業(yè)務(wù)傳輸，具有帶寬大、可靠性高、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，可有力提高試驗(yàn)通信的保障能力[1]。海域試驗(yàn)通信網(wǎng)由岸基節(jié)點(diǎn)、艦載節(jié)點(diǎn)組成，傳輸手段主要有短波通信、寬帶微波、衛(wèi)星通信[2]。短波通信主要用于艦載節(jié)點(diǎn)間短距離勤務(wù)通信及應(yīng)急指揮，寬帶微波和衛(wèi)星通信用于大容量數(shù)據(jù)傳輸。在岸基節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)，艦載節(jié)點(diǎn)與岸基節(jié)點(diǎn)建立無線信道連接，組成岸—艦無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。岸基節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍外的艦載節(jié)點(diǎn)將前期與岸基節(jié)點(diǎn)連接的艦載節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 海域試驗(yàn)通信網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)Fig. 1 The architecture of ocean-based heterogeneous test communication network

多種無線接入方式使海域試驗(yàn)通信網(wǎng)具有異構(gòu)性質(zhì)，艦載節(jié)點(diǎn)經(jīng)常處于多種無線網(wǎng)絡(luò)的重疊覆蓋范圍內(nèi)。但海域試驗(yàn)通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入選擇仍是基于信號(hào)接收強(qiáng)度或信噪比進(jìn)行切換，判別指標(biāo)單一，無法實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)母咝芤骩3-4]。為了保證網(wǎng)絡(luò)資源得以充分利用，急需針對(duì)接入策略進(jìn)行研究。

目前異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入策略大多是基于多個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)綜合評(píng)價(jià)得出，相關(guān)的接入算法主要有灰色關(guān)聯(lián)度算法、收益函數(shù)算法、模糊算法、多屬性決策判決算法、多目標(biāo)決策算法、逼近理想解排序法等[5-7]。為了保證試驗(yàn)信息的可靠傳輸，有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，減少網(wǎng)絡(luò)頻繁切換的“乒乓效應(yīng)”[8]，需要將指揮者的偏好決策與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、業(yè)務(wù)需求結(jié)合考慮。本文選擇采用主客觀協(xié)同決策的網(wǎng)絡(luò)選擇策略，即由層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）得出各網(wǎng)絡(luò)的主觀權(quán)重，再對(duì)網(wǎng)絡(luò)客觀屬性參數(shù)采用逼近最優(yōu)解排序法（Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）求出綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行排序后選擇最接近理想方案的網(wǎng)絡(luò)接入。從而可以兼顧主觀偏好與客觀網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，既保證接入的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好，也可以滿足業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)際需求。

1 靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)接入選擇策略

層次分析法（AHP）是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。層次分析法的基本思想是通過分析系統(tǒng)中各指標(biāo)的關(guān)系，建立遞進(jìn)的層次結(jié)構(gòu)。然后將各個(gè)指標(biāo)兩兩比較，確定指標(biāo)的相對(duì)重要性。最后計(jì)算各層指標(biāo)中相對(duì)于系統(tǒng)的總權(quán)重。逼近最優(yōu)解排序法的基本思想是根據(jù)目標(biāo)對(duì)象與理想解的相似程度來評(píng)價(jià)各目標(biāo)對(duì)象的優(yōu)劣，其相似程度采用歐式距離衡量，距離越近，表示相似程度越高。TOPSIS將多個(gè)目標(biāo)對(duì)象的決策指標(biāo)構(gòu)成屬性矩陣，將這個(gè)屬性矩陣歸一化處理后得出每個(gè)決策指標(biāo)的最優(yōu)值和最差值。所有最優(yōu)值構(gòu)成正理想解，最差值構(gòu)成負(fù)理想解。分別計(jì)算各決策指標(biāo)與正、負(fù)理想解的距離，根據(jù)距離計(jì)算得出各決策指標(biāo)的排序[9]。

算法具體步驟如下：

1）構(gòu)造層次分析法判決矩陣

假設(shè)有m個(gè)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行排序選擇，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有n個(gè)指標(biāo)，將n個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出判斷矩陣：

3）目標(biāo)屬性矩陣歸一化處理

5）計(jì)算加權(quán)目標(biāo)屬性矩陣?yán)硐虢?/p>

根據(jù)矩陣V的每列屬性的實(shí)際意義，選擇最優(yōu)值構(gòu)成正理想解，選擇最差值構(gòu)成負(fù)理想解。其中，對(duì)于效益型指標(biāo)而言，屬性值越大越優(yōu)；對(duì)于成本型指標(biāo)而言，屬性值越小越優(yōu)。假設(shè)屬性矩陣的正理想解由第1列的最小值、第2列的最大值、第n列的最大值構(gòu)成，負(fù)理想解由第1列的最大值、第2列的最小值、第n列的最小值構(gòu)成，則正理想解V+和負(fù)理想解V－分別為：

6）計(jì)算目標(biāo)與理想解的距離

各備選網(wǎng)絡(luò)與正理想解和負(fù)理想解的距離分別為：

7）計(jì)算目標(biāo)排序

根據(jù)TOPSIS算法，距離正理想解最近同時(shí)距離負(fù)理想解最遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)即為最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)，即相對(duì)貼近度最大的網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)。計(jì)算公式為：

2 基于位置信息的改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)接入策略

傳統(tǒng)的基于AHP-TOPSIS的網(wǎng)絡(luò)接入選擇模型中通常假設(shè)接入節(jié)點(diǎn)是靜止不動(dòng)的。而在海域試驗(yàn)通信網(wǎng)中，艦載節(jié)點(diǎn)位置實(shí)時(shí)變化，而且移動(dòng)軌跡遵循事先規(guī)劃好的航跡，因此網(wǎng)絡(luò)的部分指標(biāo)參數(shù)變化是可以預(yù)測(cè)的。因此可以計(jì)算出在航跡中下一位置處的最佳接入網(wǎng)絡(luò)。如果當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)與下一位置處最佳接入網(wǎng)絡(luò)相同，則可以保持連接；如果不同，則切換到最佳接入網(wǎng)絡(luò)。

而在網(wǎng)絡(luò)切換過程中，也會(huì)存在丟包率增加、時(shí)延增大等問題，所以在執(zhí)行切換時(shí)，比較切換前后2個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)接近度Ci的差值，若差值較小，說明2個(gè)網(wǎng)絡(luò)與理想方案的貼近度足夠接近，網(wǎng)絡(luò)間差距不大，此時(shí)切換網(wǎng)絡(luò)是不值當(dāng)?shù)?，判斷為繼續(xù)使用當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)。若Ci的差值較大，則可以切換為貼近度更高的網(wǎng)絡(luò)。

基于位置信息的網(wǎng)絡(luò)接入策略流程如圖2所示。

圖2 基于位置信息的網(wǎng)絡(luò)接入策略流程Fig. 2 Flow chart of network access algorithm based on location

根據(jù)海上試驗(yàn)特點(diǎn)，將業(yè)務(wù)分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、勤務(wù)電話、實(shí)時(shí)圖像、指揮調(diào)度，針對(duì)不同的需求特征計(jì)算各類業(yè)務(wù)的屬性權(quán)重。各類業(yè)務(wù)的需求特征如表1所示。

表1 試驗(yàn)通信業(yè)務(wù)需求特征Tab. 1 Demand characteristic of test communication services

由于無線信道可能受到電磁干擾或突發(fā)擁塞，導(dǎo)致各網(wǎng)絡(luò)在短時(shí)間內(nèi)性能貼近度發(fā)生頻繁變化，導(dǎo)致乒乓效應(yīng)，影響通信質(zhì)量。因此引入切換代價(jià)二次判斷的改進(jìn)方法，即根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)在不同位置處的參數(shù)，計(jì)算各個(gè)網(wǎng)絡(luò)下4種業(yè)務(wù)的貼近度。將各個(gè)業(yè)務(wù)賦予權(quán)重，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)。比較不同位置處的綜合評(píng)價(jià)得分，例如A處若選擇網(wǎng)絡(luò)N1，在B處選擇網(wǎng)絡(luò)N2，比較兩者綜合評(píng)價(jià)得分，若相差大于0.2，即認(rèn)為切換代價(jià)值得，則切換N2。

3 仿真分析

3.1 場(chǎng)景設(shè)置

假設(shè)艦載節(jié)點(diǎn)從遠(yuǎn)海向海岸行駛，依次經(jīng)過A，B，C，D，E五個(gè)位置，其主要業(yè)務(wù)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)圖像、勤務(wù)電話、指揮調(diào)度中的一種。令模擬循環(huán)2 000次，每種業(yè)務(wù)發(fā)生次數(shù)相同。共有N1，N2，N3三個(gè)候選網(wǎng)絡(luò)可供艦載節(jié)點(diǎn)選擇接入。N1網(wǎng)絡(luò)中，艦載節(jié)點(diǎn)在遠(yuǎn)海處通過微波接入到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)通過微波接入岸基微波節(jié)點(diǎn)，最后經(jīng)由地面光纖傳輸至指揮中心。當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入岸基節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍后，直接接入岸基微波節(jié)點(diǎn)并由地面光纖接入指揮中心。N2為艦載節(jié)點(diǎn)通過動(dòng)中通經(jīng)衛(wèi)星鏈路直接接入指揮中心。N3為艦載節(jié)點(diǎn)通過微波接入中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)再通過衛(wèi)星鏈路接入指揮中心。

3種網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別主要如表2所示。

表2 三種接入網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)Tab. 2 The characteristic of three networks

根據(jù)上文所述層次分析法，分別計(jì)算各類業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

表3 各類試驗(yàn)通信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)權(quán)重Tab. 3 Network index weights of test communication services

仿真參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 仿真參數(shù)設(shè)置Tab. 4 Simulation parameters

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)選擇概率統(tǒng)計(jì)

對(duì)每種業(yè)務(wù)仿真循環(huán)500次，選擇3種網(wǎng)絡(luò)的概率如圖3所示。可以看出，對(duì)于指揮調(diào)度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

圖3 不同位置處的網(wǎng)絡(luò)選擇概率Fig. 3 Mesh selection probobility at different locations

2種業(yè)務(wù)而言，其所需的帶寬較小，但對(duì)抖動(dòng)、時(shí)延比較敏感，因此在A，B，C三個(gè)位置處選擇接入N2網(wǎng)絡(luò)，可以滿足其可靠傳輸?shù)男枨?。勤?wù)電話、實(shí)時(shí)圖像需要較大的帶寬，因而在A，B，C三個(gè)位置處選擇接入N3。隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)位置變化，N1網(wǎng)絡(luò)性能提高，各項(xiàng)業(yè)務(wù)在D，E均選擇接入N1網(wǎng)絡(luò)來保證傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)連接。

3.2.2 平均切換次數(shù)

不同業(yè)務(wù)類別的網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)如圖4所示。由圖4可知，本文的改進(jìn)方法平均切換次數(shù)最少，平均權(quán)值（即各項(xiàng)業(yè)務(wù)權(quán)重相同）的切換次數(shù)最多，基于AHP加權(quán)算法的切換次數(shù)次之。結(jié)合切換代價(jià)二次判斷的改進(jìn)方法使切換次數(shù)明顯減少，避免網(wǎng)絡(luò)因?yàn)橘N近度相差很小而頻繁切換，從而減少了切換過程導(dǎo)致的丟包，以更小的代價(jià)獲得更優(yōu)的通信性能。

圖4 不同業(yè)務(wù)類別的網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)Fig. 4 Network switching times of different service categories

4 結(jié) 語

本文提出一種海上機(jī)動(dòng)試驗(yàn)通信網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇算法。該算法采用層次分析法評(píng)估對(duì)各類業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的權(quán)重，然后采用TOPSIS方法對(duì)備選網(wǎng)絡(luò)評(píng)估，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切換代價(jià)二次判斷，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入選擇。仿真計(jì)算表明，本文方法能夠充分考慮業(yè)務(wù)特點(diǎn)和備選網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)，有效選擇理想接入網(wǎng)絡(luò)，而且在網(wǎng)絡(luò)貼近度相近時(shí)，能夠考慮網(wǎng)絡(luò)切換代價(jià)，減少切換次數(shù)，避免頻繁切換導(dǎo)致的丟包，提高試驗(yàn)信息的傳輸可靠性。

下一步，將針對(duì)海上試驗(yàn)多用戶自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入選擇及負(fù)載均衡進(jìn)行研究。