衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量指標(biāo)體系研究與評估

楊 柳，張 寧

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京210007;2.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理中心，北京100840)

0 引言

衛(wèi)星通信相對于其他通信手段，具有覆蓋范圍廣、接入容量大、可靠性高、組網(wǎng)靈活、機(jī)動性能好、生存能力強(qiáng)等優(yōu)點，在現(xiàn)代通信中扮演著重要角色。同時，衛(wèi)星通信的獨有特點也促使衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)成為未來戰(zhàn)爭的重要軍事通信手段［1］。現(xiàn)在，我國己經(jīng)建成了多種衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，如何充分有效發(fā)揮現(xiàn)有衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作用已經(jīng)成為重要研究方向。而在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)運行過程中，對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評估，對于及時掌握衛(wèi)星通信網(wǎng)運行情況，評估網(wǎng)絡(luò)運行狀況，實時、準(zhǔn)確的做出相應(yīng)策略，配置網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，提高衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)性能具有重要意義。

目前，已有大量關(guān)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)效能評估的研究。參考文獻(xiàn)［2］研究了軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)效能評估指標(biāo)體系，參考文獻(xiàn)［3］提出了基于模糊推理的衛(wèi)星系統(tǒng)綜合效能評估方法。但是多數(shù)研究都是針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的綜合評估，而很少針對正在運行的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評估。但是多數(shù)針對正在運行的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)評估研究都是通過獲取衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的丟包率、時延等IP協(xié)議層的指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)通信情況評估［4］，而很少針對未采用IP體制的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評估。文中針對以話音為主要業(yè)務(wù)的非IP體制的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，建立了該衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量評估指標(biāo)體系，研究了基于模糊綜合的網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量評估方法。

1 衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量評估指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則

為全面、科學(xué)的評價衛(wèi)星話音通信網(wǎng)［5］的運行質(zhì)量，首先需要建立一個合理完善客觀的指標(biāo)體系［6］。考慮到評價過程的可行性和科學(xué)性，結(jié)合衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的特點，提出構(gòu)建指標(biāo)體系應(yīng)遵循的下列原則:

(1)全面性原則

選取的指標(biāo)能比較全面、有效地反映網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)。

(2)獨立性原則

構(gòu)建的指標(biāo)體系中各指標(biāo)盡可能地獨立，減少指標(biāo)內(nèi)涵的重疊度，各個指標(biāo)相對獨立反映網(wǎng)絡(luò)的某一方面現(xiàn)狀，避免冗余指標(biāo)。

(3)定性與定量相結(jié)合原則

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)存在著精確與模糊、可測度與不可測度、穩(wěn)定與不穩(wěn)定等多種情況，對整個網(wǎng)絡(luò)的評估需要定性與定量表示相結(jié)合。定性指標(biāo)必須要有明確的定義，以便進(jìn)行定性分析。定量指標(biāo)必須要有明確測量方法，具有現(xiàn)實統(tǒng)計意義，以便于定量分析、操作和驗證。

(4)理論與實踐相結(jié)合的原則

指標(biāo)體系的設(shè)置一方面可以參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)或已有工作成果，另一方面也可以從收集實際網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)開始，進(jìn)行指標(biāo)的探索性分析。

1.2 指標(biāo)體系的要素分析

借鑒文獻(xiàn)［7］中IP網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量的定義，定義衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量是在實際運行過程中向用戶提供的服務(wù)特性與用戶的要求一致程度。從管理功能看，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量應(yīng)該包括網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等方面的內(nèi)容;網(wǎng)絡(luò)性能反映了網(wǎng)絡(luò)運行過程中基本組成要素的運行情況;網(wǎng)絡(luò)安全反映了相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全措施為網(wǎng)絡(luò)提供的安全防御能力;網(wǎng)絡(luò)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)維護(hù)其運行有效性的能力，同時也反映了運營維護(hù)部門的維護(hù)能力。

(1)網(wǎng)絡(luò)性能

衛(wèi)星話音通信網(wǎng)是一種采用衛(wèi)星通信技術(shù)承載話音業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量直接影響業(yè)務(wù)的效果。反過來看，其網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)性能即網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是否滿足業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨笠材芊从吵鼍W(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量。文中采用面向業(yè)務(wù)的思想代替面向設(shè)備的思想來考慮網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)選取。

文中歸納的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)包括全網(wǎng)平均每天呼叫總次數(shù)、全網(wǎng)平均每天呼通率、全網(wǎng)平均每天小站在線時長、全網(wǎng)平均每天小站通信時長、平均每天通信小站比率、平均每天在線小站比率。其中，小站是指組成衛(wèi)星通信網(wǎng)的機(jī)載站、車載站、便攜站、手持站等各類地球站的統(tǒng)稱。小站的在線狀態(tài)表示小站開機(jī)且中央站知道小站已經(jīng)配置到該網(wǎng)絡(luò)頻段，但小站未發(fā)起通信請求。

(2)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)

從物理結(jié)構(gòu)看，網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點與鏈路組成。由于衛(wèi)星通信采用無線傳輸，組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是否能支撐網(wǎng)絡(luò)的良好運行，即設(shè)備性能，是影響網(wǎng)絡(luò)維護(hù)能力的重要因素。

文中歸納的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)指標(biāo)包括小站平均壽命、衛(wèi)星壽命、平均無故障時間、平均故障恢復(fù)時間、小站故障率。其中，故障的計算與統(tǒng)計包括中央站與各地球站。

網(wǎng)絡(luò)安全與網(wǎng)絡(luò)性能息息相關(guān)，一旦網(wǎng)絡(luò)安全受到威脅，網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)將會迅速惡化。網(wǎng)絡(luò)安全不僅包括正在運行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全，也包含通過網(wǎng)絡(luò)傳遞的信息的安全。在衛(wèi)星話音通信網(wǎng)中，傳輸?shù)脑捯舭踩ㄟ^密鑰加密來實現(xiàn)。密鑰加密算法的強(qiáng)度取決于密鑰的更換周期與長度。

文中歸納的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)指標(biāo)包括抗干擾能力、密鑰的更換周期、密鑰長度、空間電磁環(huán)境事件頻率、地面惡劣氣候環(huán)境事件、衛(wèi)星異常事件頻率。其中，抗干擾能力包括衛(wèi)星和小站對人為和非人為的電磁干擾的抵抗能力。空間電磁環(huán)境事件是指日凌、太陽風(fēng)暴等無法采用抗干擾技術(shù)解決的大范圍電磁干擾。地面惡劣氣候環(huán)境事件包括暴風(fēng)、大雪、臺風(fēng)、強(qiáng)降雨、強(qiáng)風(fēng)等造成電磁信號急劇衰落的事件。衛(wèi)星異常事件包括姿態(tài)異常、燃料泄漏、星蝕、電池異常、硬打擊。

1.3 衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量指標(biāo)體系構(gòu)建

按照層次結(jié)構(gòu)分類歸納，構(gòu)建如圖1所示的指標(biāo)系。

圖1 衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量評估指標(biāo)體系Fig.1 Index system of satellite communication network operating quality

2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量評估方法

由于網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量是根據(jù)多個指標(biāo)的評測結(jié)果來確定的，雖然很多指標(biāo)能夠得到一些數(shù)值，但還需要對一些數(shù)值進(jìn)行定性判斷，這種定性具有一定的模糊性，并非完全準(zhǔn)確，因此，文中采用模糊綜合評價法［6］研究衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量評估。

2.1 建立評語等級和確定影響評估對象的因素

建立評估對象的因素論域U，建立評語論域V及評語對應(yīng)的分值S。

2.2 確定指標(biāo)的權(quán)重

文中采用層次分析法層次分析法來計算指標(biāo)權(quán)重，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)運行質(zhì)量的指標(biāo)體系由兩級指標(biāo)構(gòu)成，假定一級指標(biāo)域用A表示;二級指標(biāo)域用B表示。

(1)構(gòu)建權(quán)重判斷矩陣

當(dāng)前許多地方是小動物依舊以散養(yǎng)為主，規(guī)模化、集約化畜牧生產(chǎn)即使有發(fā)展趨勢，但占據(jù)比例小，無法滿足當(dāng)代蓄禽業(yè)發(fā)展需求。許多動物是小規(guī)模生產(chǎn)，一家一戶形式，養(yǎng)殖場戶在生產(chǎn)中隨意添加飼料、藥物和添加劑，排泄物處理和管理等無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。免疫程序制定隨意，監(jiān)控管理難度大，尤其是防疫動物工作，無法根據(jù)免疫流程實施。

為了得到量化的判別矩陣，引入1－9的標(biāo)度法，如表1所示。在1－9的標(biāo)度法中，除了在表1中給出的值外，2、4、6、8也都是可以使用的中間值。在利用1－9的標(biāo)度法量化過程中，如果指標(biāo)i不如指標(biāo)j重要，則取值為1/u，u為1－9。根據(jù)表1將所有的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣A:

其中，aij表示指標(biāo)ai相對于指標(biāo)aj的權(quán)重。

表1 1－9的標(biāo)度法Table 1 Scalingmethod of 1－9

(2)指標(biāo)權(quán)重計算和一致性檢驗

層次分析法的指標(biāo)權(quán)重計算問題，可以歸納為判斷矩陣的特征向量求解問題，方法如下:計算判斷矩陣每行元素乘積Mi:

計算Mi的n次方根ˉWi:

其中n為判斷矩陣的階數(shù)。

則 W=［W1，W2，…，Wn］T即為所求的特征向量，

計算判斷矩陣的最大特征根λmax:

一致性檢驗:

其中，n為矩陣的維數(shù)。

設(shè)第一級指標(biāo)各指標(biāo)的權(quán)重為Wi，i=1，2，…，n。n為一級指標(biāo)的個數(shù)。則通過以上步驟，就可以確定一級指標(biāo)的權(quán)重向量:

2.3 建立模糊關(guān)系矩陣

在指標(biāo)體系所有的二級評價指標(biāo)與評語論域V之間進(jìn)行單因素評估，建立模糊關(guān)系矩陣R:

其中，x為所有二級指標(biāo)的個數(shù)，m評語等級個數(shù)。矩陣R中的元素rij表示指標(biāo)域中第i個指標(biāo)ai對應(yīng)于評語等級V中第j個等級vj的隸屬程度。

對每一個二級指標(biāo)域Bi來說，它的權(quán)重分配為Wij，則可以得到一級評判向量:

則對于每一個一級指標(biāo)域來A說，它的單因素模糊關(guān)系矩陣為:

其中，n為一級指標(biāo)的個數(shù)。

2.4 計算最終評估結(jié)果

將權(quán)值向量W與一級指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣R經(jīng)過模糊變換，得到評估結(jié)果向量B:

其中，m評語等級個數(shù)，bj表示評估對象從整體上看對vj等級模糊子集的隸屬度，“?”為模糊合成算子

將結(jié)果向量映射為具體的評估值，得到最終評價結(jié)果E:

E值即為衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量綜合指數(shù)。

3 結(jié)語

衛(wèi)星通信的獨有特點促使衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)已發(fā)展成為我國的重要傳輸網(wǎng)絡(luò)。作為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理的重要組成部分，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的評估是一個非常關(guān)注的問題。文中針對以話音為業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理實際運行和管理的需求，提出了一組衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量評估指標(biāo)體系。本指標(biāo)體系從網(wǎng)絡(luò)管理功能的角度出發(fā)，確定三個一級指標(biāo)即網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)指標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)，再將影響衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量的各個因素歸納到一級指標(biāo)下，并由上至下進(jìn)行補(bǔ)充。最后，利用模糊綜合評價法完成了對衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運行質(zhì)量的評估，為衛(wèi)星話音通信網(wǎng)的管理提供了參考。

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