基于改進(jìn)跳面節(jié)點(diǎn)法的地域通信網(wǎng)抗毀性評價(jià)

摘 要： 為了提高地域通信網(wǎng)對抗訓(xùn)練的有效性，需要對地域通信網(wǎng)的抗毀性和節(jié)點(diǎn)鏈路的重要性作出評價(jià)。針對跳面節(jié)點(diǎn)法的問題和不足，提出了一種基于改進(jìn)跳面節(jié)點(diǎn)法的地域通信網(wǎng)抗毀性評價(jià)方法，并對改進(jìn)的結(jié)果進(jìn)行了對比，最后對抗毀性評價(jià)方法在地域通信網(wǎng)對抗訓(xùn)練中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞： 地域通信網(wǎng)； 抗毀性； 跳面節(jié)點(diǎn)法； 可靠性

中圖分類號： TN927?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0013?03

Evaluation of regional communication network in invulnerability

based on improved jump?range?node method

WANG Liang， WANG Xin?zeng， WANG Ying?hong

（Unit 63893 of PLA， Luoyang 471003， China）

Abstract： To improve the efficiency of regional communication network （RCN） in warfare training， it is necessary to evaluate the invulnerability of RCN and the importance of nodes and links. A new evaluation method of RCN in invulnerability based on improved jump?range?node method is proposed in this paper. The result shows that the improved method is better than the original one. At last， the application of evaluation method for invulnerability of warfare training on RCN is analyzed at the end.

Keywords： regional communication network； invulnerability； jump?range?node； reliability

0 引 言

抗毀性是一種衡量通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抗毀能力的指標(biāo)[1?3]，是指具備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息后采取有針對性的破壞策略時(shí)，網(wǎng)絡(luò)變成兩個或兩個以上不相連子網(wǎng)的難易程度。它反映了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或鏈路不能正常工作時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能的變化情況，屬于圖論中的連通性研究。它僅與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)鏈路等部件的可靠性有關(guān)，而與網(wǎng)絡(luò)的具體通信體制和路由算法沒有關(guān)系。

作為在戰(zhàn)爭環(huán)境下使用的一種特殊通信網(wǎng)絡(luò)[4]，地域通信網(wǎng)是敵人重點(diǎn)打擊的目標(biāo)，節(jié)點(diǎn)和鏈路等網(wǎng)絡(luò)部件更易受到敵方的破壞而失效，從而造成網(wǎng)絡(luò)的不連通。而網(wǎng)絡(luò)連通是信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，如果網(wǎng)絡(luò)喪失了連通性，則無論采用何種通信協(xié)議、路由選擇算法和維護(hù)策略，都無法完成信息交換功能。因此研究以網(wǎng)絡(luò)連通性為目的的抗毀性對地域通信網(wǎng)是十分重要的。

關(guān)于抗毀性評價(jià)方法，國內(nèi)外不少文獻(xiàn)都有研究，如跳面節(jié)點(diǎn)法[5]、最短路徑數(shù)法[6]、生成樹數(shù)目法[7]、基于拓?fù)渎窂讲幌嘟欢攘縖8]、基于節(jié)點(diǎn)抗毀性度量值均方差的評估模型[9]等，這些模型各有其評價(jià)側(cè)重點(diǎn)，也各有其局限性。本文詳細(xì)研究了跳面節(jié)點(diǎn)法，然后針對跳面節(jié)點(diǎn)法的不足提出了一些改進(jìn)措施，并對抗毀性評價(jià)方法在地域通信網(wǎng)對抗訓(xùn)練中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 跳面節(jié)點(diǎn)法的原理及不足分析

首先引入跳面節(jié)點(diǎn)的概念。設(shè)[G（N，E）]為節(jié)點(diǎn)數(shù)為[N]、鏈路數(shù)為[E]的通信網(wǎng)絡(luò)，兩個節(jié)點(diǎn)之間的鏈路數(shù)稱為跳數(shù)，稱與某一節(jié)點(diǎn)[i]具有相同跳數(shù)的所有節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)[i]具有該跳數(shù)的跳面。

跳面節(jié)點(diǎn)法認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的可靠性[RG]為網(wǎng)絡(luò)任一節(jié)點(diǎn)到其所有跳面可靠性的平均值，即：

[RG=1Ni=1Nri，ri=j=1Mrij]

式中：[ri]為節(jié)點(diǎn)[i]到其所有跳面間的可靠性；[M]為距離節(jié)點(diǎn)[i]最遠(yuǎn)跳面的跳數(shù)，稱為節(jié)點(diǎn)[i]的跳距；[rij]為節(jié)點(diǎn)[i]到第[j]跳面間的可靠性。跳面節(jié)點(diǎn)法認(rèn)為跳面之間以串行連接，節(jié)點(diǎn)[i]到第[j]跳面間的可靠性[rij]有如下聯(lián)積關(guān)系：

[ri1=ri1ri2=ri1?r12ri3=ri2?r23 ?ri（m+1）=rim?rm（m+1）]

式中：[rm（m+1）]為第[m]跳面到第[（m+1）]跳面的歸一化可靠性，為此引入跳面間鏈路數(shù)歸一化因子[μm]。設(shè)第[m]跳面上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為[nm]，第[（m+1）]跳面上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為[nm+1]，兩跳面的連接鏈路數(shù)為[lm]，則第[（m+1）]跳面上節(jié)點(diǎn)數(shù)目與節(jié)點(diǎn)[i]其余[（N-1）]個節(jié)點(diǎn)的比例為[nm+1（N-1）]，兩跳面的鏈路數(shù)[lm]與兩跳面間最大可連鏈路數(shù)[nmnm+1]的比例為[lmnmnm+1]，則[μm]為：

[μm=nm+1N-1?lmnm?nm+1=lmnm（N-1）]

所以有：

[rm（m+1）=μmRm（m+1）=lmnm（N-1）Rm（m+1）]

式中：[Rm（m+1）]為第[m]跳面到第[（m+1）]跳面的可靠性。它的計(jì)算過程如下。

設(shè)第[m]跳面上[nm]個節(jié)點(diǎn)中某一節(jié)點(diǎn)[s（s=1，2，…，nm）]到第[（m+1）]跳面上的鏈路數(shù)為[ls]，[ls]中的每條鏈路記為[k（k=1，2，…，ls）]，顯然有[s=1nmls=lm]。設(shè)[Rs]為節(jié)點(diǎn)[s]的可靠性，[Rk]為鏈路[k]的可靠性，[Rs（m+1）]為節(jié)點(diǎn)[s]到第[（m+1）]跳面的可靠性，則有：

[Rs（m+1）=Rs1-k=1ls（1-Rk）Rm（m+1）=1-s=1nm[1-Rs（m+1）]]

這樣，只要網(wǎng)絡(luò)[G（N，E）]給定節(jié)點(diǎn)和鏈路的可靠性以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即可計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的可靠性[RG]及節(jié)點(diǎn)的重要性[ri]。需要說明的是，當(dāng)已知網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并假定網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)、鏈路完全可靠時(shí)，則[RG]就是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的抗毀性。

可以看出，跳面節(jié)點(diǎn)法是一種簡便的網(wǎng)絡(luò)抗毀性評價(jià)方法，不僅可以計(jì)算網(wǎng)絡(luò)抗毀性，還可以用來評價(jià)節(jié)點(diǎn)重要性。但是通過分析發(fā)現(xiàn)，它存在一些問題和不足。首先在計(jì)算節(jié)點(diǎn)可靠性時(shí)，它只考慮了跳面間的迂回路由，省略了跳面內(nèi)的迂回路由，影響了評價(jià)的精度；其次它采用先并聯(lián)后串聯(lián)計(jì)算跳面間可靠性方法不夠嚴(yán)謹(jǐn)。具體如下：

（1）跳面節(jié)點(diǎn)法在評估節(jié)點(diǎn)重要性時(shí)，評估精度不夠高。這是因?yàn)樗?jì)算節(jié)點(diǎn)重要性時(shí)，沒有考慮跳面內(nèi)節(jié)點(diǎn)的連接情況。如圖1所示，在計(jì)算節(jié)點(diǎn)1的重要性時(shí)，只需用到節(jié)點(diǎn)1到跳面1之間的鏈路數(shù)和跳面1到跳面2之間的鏈路數(shù)，與跳面1內(nèi)部的鏈路沒有關(guān)系。也就是說，在圖1中，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3之間有沒有鏈路相連，對節(jié)點(diǎn)1重要性的計(jì)算結(jié)果沒有影響，這是不準(zhǔn)確的。

（2）跳面節(jié)點(diǎn)法用串聯(lián)相乘的方式評價(jià)可靠性是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。同樣在圖1的左圖中，跳面節(jié)點(diǎn)法認(rèn)為節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)3的可靠性等于節(jié)點(diǎn)1到跳面1的可靠性乘以跳面1到跳面2的可靠性。假設(shè)每個節(jié)點(diǎn)的可靠性為1，每條鏈路的可靠性為[p]，則節(jié)點(diǎn)1到跳面1的可靠性為[1-（1-p）2]，跳面1到跳面2的可靠性也為[1-（1-p）2]，那么按照跳面節(jié)點(diǎn)法串聯(lián)計(jì)算可靠性的方法，則節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)3的可靠性為[[1-（1-p）2]2]，這是不正確的。正確的結(jié)果應(yīng)該是先計(jì)算兩鏈路串聯(lián)的可靠性，再計(jì)算并聯(lián)可靠性，即為[1-（1-p2）2]。

圖1 節(jié)點(diǎn)1跳面示意圖

2 改進(jìn)的跳面節(jié)點(diǎn)法及評價(jià)結(jié)果

針對第一點(diǎn)不足，可以考慮在歸一化因子中增加跳面內(nèi)鏈路的影響因子。設(shè)第[m]跳面上的鏈路數(shù)目為[sm]，為了體現(xiàn)鏈路數(shù)的相對值，可將鏈路數(shù)與該跳面上所有節(jié)點(diǎn)全連通時(shí)的鏈路數(shù)進(jìn)行比較。因?yàn)榈赱m]跳面上所有節(jié)點(diǎn)全連通時(shí)的鏈路數(shù)為[C2nm]，所以修改歸一化因子為：

[μm=lmnm（N-1）?1+smC2nmN-1]

可以看出，該因子是在原因子基礎(chǔ)上增加了一個跳面內(nèi)路由分量，不僅考慮了跳面內(nèi)鏈路的影響，而且將已有鏈路數(shù)與節(jié)點(diǎn)全連通時(shí)的鏈路數(shù)進(jìn)行了比較，與全連通網(wǎng)絡(luò)的可靠性最高的觀點(diǎn)相一致。

至于跳面節(jié)點(diǎn)法計(jì)算可靠性的順序，要根據(jù)跳面內(nèi)是否有迂回路由來具體對待。如果跳面內(nèi)有迂回路由，可按先并聯(lián)后串聯(lián)的方式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的可靠性。如果跳面內(nèi)沒有迂回路由，則按先串聯(lián)后并聯(lián)的方式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)可靠性，計(jì)算方法如下。設(shè)某節(jié)點(diǎn)到連續(xù)沒有迂回路由的跳面[m]的跳距為[d]，則：

[Rs（m+1）=Rs1-k=1ls1-i=1dRki]

下面以圖2為例，計(jì)算三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)重要性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。假設(shè)節(jié)點(diǎn)和鏈路完全可靠，則[Rm（m+1）]=1。

以改進(jìn)的跳面節(jié)點(diǎn)法為例計(jì)算G1（6，10），計(jì)算過程如下：

[r1=r6=251+05+251+05?42×51+15+251+05?42×51+15?22×51+15=0.600]

[r2=r3=r4=r5=451+05+451+05?24×5?1+465=0.891] [∴RG1=15i=15ri=0.794]

圖2 三種地域通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分別用兩種方法對三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，在評價(jià)節(jié)點(diǎn)重要性和網(wǎng)絡(luò)可靠性時(shí)，改進(jìn)的跳面節(jié)點(diǎn)法同原方法保持了結(jié)果一致，拓?fù)?的可靠性要高于拓?fù)?，拓?fù)?的可靠性要高于拓?fù)?。通過節(jié)點(diǎn)1的重要性值可以看出，如果用原方法計(jì)算，拓?fù)?和拓?fù)?中節(jié)點(diǎn)1的重要性是一樣的。用改進(jìn)方法計(jì)算，節(jié)點(diǎn)1的重要性有所提高，體現(xiàn)了跳面內(nèi)路由的存在。

3 抗毀性評價(jià)在地域通信網(wǎng)對抗訓(xùn)練中的應(yīng)用

地域通信網(wǎng)要素對抗訓(xùn)練是通信部（分）隊(duì)訓(xùn)練的一個重要組成部分，研究地域通信網(wǎng)的抗毀性評價(jià)可以更好地指導(dǎo)和開展地域通信網(wǎng)的攻防對抗訓(xùn)練。對于進(jìn)攻力量，可以針對網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)和鏈路，有目的地進(jìn)行干擾力量配置和戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法運(yùn)用。對于防御力量，一方面可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，另一方面通過重要節(jié)點(diǎn)和鏈路的防護(hù)來提高整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性。另外，還可作為地域通信網(wǎng)構(gòu)建調(diào)整和重組水平的評估指標(biāo)。

3.1 指導(dǎo)進(jìn)攻力量進(jìn)行干擾力量配置和戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法運(yùn)用

在地域通信網(wǎng)對抗訓(xùn)練中，進(jìn)攻力量通過對地域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，找出網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)和鏈路，就可以有針對性地進(jìn)行干擾力量配置和戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法運(yùn)用。如在地域網(wǎng)對抗訓(xùn)練中用到的“圍點(diǎn)斷鏈”戰(zhàn)術(shù)，就是建立在對重要節(jié)點(diǎn)和鏈路的評估上。該戰(zhàn)術(shù)利用通信對抗裝備對敵方地域通信網(wǎng)中起決定作用的節(jié)點(diǎn)和鏈路實(shí)施干擾，以降低或破壞敵方地域通信網(wǎng)的整體作戰(zhàn)效能。節(jié)點(diǎn)是地域通信網(wǎng)的生命線，用多部干擾機(jī)在多個頻率點(diǎn)上，干擾重要節(jié)點(diǎn)的所有通信路由，阻斷與其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系，降低、擾亂或破壞地域通信網(wǎng)局部乃至整體功能，最終瓦解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.2 指導(dǎo)防御力量進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和重要對象防護(hù)

作為一種野戰(zhàn)條件下的通信保障裝備，地域通信網(wǎng)在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該將抗毀性測度作為一項(xiàng)重要的參考指標(biāo)。在立足現(xiàn)有裝備數(shù)量、配置地域的基礎(chǔ)上，防御力量應(yīng)該按照抗毀性測度最大化的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并在重要節(jié)點(diǎn)和鏈路上采取備份等措施進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。如圖2（b），（c）兩者的裝備、地域等條件相同，只有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。通過計(jì)算可知，拓?fù)?的抗毀性比拓?fù)?大，所以應(yīng)該采取拓?fù)?所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并應(yīng)在節(jié)點(diǎn)重要性比較高的節(jié)點(diǎn)2，3，4，5進(jìn)行重要防護(hù)。

3.3 作為地域通信網(wǎng)構(gòu)建調(diào)整和重組水平的評估指標(biāo)

地域通信網(wǎng)構(gòu)建完畢投入使用后，并不是一成不變的。它需要根據(jù)戰(zhàn)斗演變進(jìn)程，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和重組?？箽栽u價(jià)方法通過對節(jié)點(diǎn)重要性、網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)的計(jì)算來衡量地域網(wǎng)的抗毀能力，可以對使用者快速構(gòu)建、調(diào)整和重組地域網(wǎng)的水平作出合理的評價(jià)。

4 結(jié) 語

可靠性是一門綜合性比較強(qiáng)的邊緣學(xué)科，涉及到基礎(chǔ)學(xué)科、技術(shù)學(xué)科和管理學(xué)科中的許多領(lǐng)域，目前還處于不斷的發(fā)展之中。地域通信網(wǎng)可靠性研究也經(jīng)歷了一個從簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程，從最初的設(shè)備可靠性發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)的可靠性，進(jìn)而發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)的通信完成性。作為一種用于軍事目的特殊通信網(wǎng)絡(luò)，研究基于連通性為目的的抗毀性評價(jià)是有意義的。關(guān)于抗毀性評價(jià)方法，國內(nèi)外文獻(xiàn)也提出了大量的方法[10]，但都是從某一個角度進(jìn)行分析得出，適用性受到一定限制。

本文以跳面節(jié)點(diǎn)法為基礎(chǔ)，分析了跳面節(jié)點(diǎn)法存在的不足，提出了相應(yīng)地改進(jìn)措施，并對抗毀性評價(jià)方法在地域通信網(wǎng)對抗訓(xùn)練中的應(yīng)用情況進(jìn)行了說明。由于地域通信網(wǎng)可靠性研究還在不斷發(fā)展之中，未來提出適用性更強(qiáng)、準(zhǔn)確度更高地抗毀性評價(jià)方法將是繼續(xù)研究的重點(diǎn)。

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