基于ANP的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)通信能力評(píng)估*

肖海，劉新學(xué)，舒健生，夏維

(第二炮兵工程大學(xué)，陜西 西安　710025)

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指揮控制與通信

基于ANP的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)通信能力評(píng)估*

肖海，劉新學(xué)，舒健生，夏維

(第二炮兵工程大學(xué)，陜西 西安710025)

摘要：為評(píng)估衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力，深入分析了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程，建立了合理的能力評(píng)估指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上建立了基于網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)的能力評(píng)估模型，為克服網(wǎng)絡(luò)分析法在求解指標(biāo)權(quán)重時(shí)的缺陷，采用主特征值法計(jì)算能力指標(biāo)的權(quán)重，并提供一種能力分級(jí)評(píng)定方法對(duì)能力進(jìn)行了評(píng)定，其結(jié)論有助于做出科學(xué)決策。最后通過(guò)算例分析，驗(yàn)證了模型的可行性、有效性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)；通信能力；網(wǎng)絡(luò)分析法；主特征值法；能力評(píng)估；權(quán)重

0引言

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)時(shí)可以為陸、海、空、天等各類用戶提供迅速、保密、抗干擾的指揮與通信保障，從而為建立三軍通用的C4ISR系統(tǒng)創(chuàng)造條件，同時(shí)也是連接自動(dòng)化作戰(zhàn)指揮、戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)偵察、火力支援、綜合電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的紐帶[1]，使擁有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的一方知己知彼，合理用兵。合理的通信能力評(píng)估能夠描述衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在一定環(huán)境條件下完成規(guī)定任務(wù)所體現(xiàn)的水平，對(duì)于指導(dǎo)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在作戰(zhàn)中的應(yīng)用具有實(shí)際意義，同時(shí)評(píng)估結(jié)果也對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、研制、使用等起著十分重要的作用。

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力評(píng)估包括評(píng)估指標(biāo)體系的建立及評(píng)估方法的使用。本文首先對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的通信功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行全面分析，明確影響通信系統(tǒng)能力實(shí)現(xiàn)的主要因素，建立合理的能力評(píng)估指標(biāo)體系，再應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析法處理各個(gè)功能模塊之間的相互關(guān)系，最后進(jìn)行聚合評(píng)估，得出衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的能力評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果。

1指標(biāo)體系的建立

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，指標(biāo)種類繁多，關(guān)系復(fù)雜，要分析評(píng)估衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的能力，需要分析其運(yùn)行過(guò)程及原理。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)由用戶段、空間段和地面段三大部分組成[2]，在此只分析空間段的能力，且假定用戶段和地面段性能完好。星座內(nèi)的相鄰衛(wèi)星之間使用星間鏈路進(jìn)行通信，星座中衛(wèi)星與地面用戶通信采用星地鏈路支持[3]。通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　不同軌道衛(wèi)星組成的空間通信網(wǎng)示意圖Fig.1　Space communication network diagram of different satellites orbits

根據(jù)衛(wèi)星通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，衛(wèi)星通信的功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先根據(jù)用戶與航天器及航天器之間的位置關(guān)系，判斷星際鏈路是否連通，若連通，則鏈路為用戶→衛(wèi)星→衛(wèi)星→…→衛(wèi)星→用戶，具體鏈路則由通信網(wǎng)的實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定[4]，信號(hào)通過(guò)鏈路中各發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的增益、電磁波在鏈路傳輸中的損耗及干擾等的影響，最后到達(dá)用戶。在此過(guò)程中，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力依賴于衛(wèi)星的覆蓋能力、通信服務(wù)能力、通信服務(wù)質(zhì)量及衛(wèi)星的安全防護(hù)能力等，且這些因素也需要衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的性能支持。下面分別進(jìn)行分析。

1.1覆蓋能力E1

覆蓋能力是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基礎(chǔ)，也是判斷衛(wèi)星通信鏈路是否連通的標(biāo)準(zhǔn)，只有用戶或者衛(wèi)星在有效覆蓋范圍之內(nèi)，才能建立通信鏈路。單顆衛(wèi)星只能對(duì)地面形成有限的覆蓋，一個(gè)靜止軌道通信衛(wèi)星可覆蓋全球面積的42%[5]，為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)地球的全球覆蓋或者區(qū)域覆蓋，需要在軌道上放置多顆衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座，衛(wèi)星星座的覆蓋能力可從空間和時(shí)間2個(gè)方面來(lái)考慮，空間上是指對(duì)用戶的覆蓋率、最小仰角，時(shí)間上是指持續(xù)覆蓋時(shí)間。

1.2通信服務(wù)能力E2

通信服務(wù)能力由信息傳輸和信息處理2個(gè)部分實(shí)現(xiàn)，評(píng)價(jià)這兩者能力大小的指標(biāo)為通信容量和傳輸時(shí)延，通信鏈路的容量由系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)指標(biāo)決定，轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射信道數(shù)，星上轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目越多，總射頻帶寬就越寬，等效全向輻射功率越大，通信容量就越大；傳輸時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)傳輸中最重要的指標(biāo)之一[6]，設(shè)S為網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑的跳數(shù)，則最小延遲為DEL=STL，最大延遲為DED=DTH，TL，TH分別為空載和高負(fù)載下的單跳時(shí)延，D為網(wǎng)絡(luò)直徑。

1.3服務(wù)質(zhì)量E3

服務(wù)質(zhì)量主要是指衛(wèi)星通信的可靠性及比特誤差率，假設(shè)通信收發(fā)裝備完好，衛(wèi)星通信的服務(wù)質(zhì)量取決于傳輸鏈路中的損耗大小以及干擾情況，評(píng)價(jià)這2個(gè)因素的指標(biāo)有誤碼率、丟包率、掉話率、載噪比等。

1.4防護(hù)能力E4

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的防護(hù)能力是指通信服務(wù)承受攻擊或戰(zhàn)場(chǎng)干擾的能力，主要從抗干擾能力、抗摧毀能力、安全保密能力等幾方面考慮[9,11]。

綜合上述分析，得出衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力評(píng)估指標(biāo)體系如圖2所示[7-8]。

2能力聚合模型的建立

圖2　衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)通信能力評(píng)估指標(biāo)體系Fig.2　Communication capability evaluation index system of satellite communication system

基于層級(jí)指標(biāo)的系統(tǒng)能力聚合評(píng)估屬于多屬性決策問(wèn)題，可采用模糊綜合評(píng)判法、灰色聚類分析、層次分析法等系統(tǒng)評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估，但這些方法忽略了能力構(gòu)成要素之間的依存性、反饋性，弱化了指標(biāo)之間相互關(guān)系系統(tǒng)能力的影響。網(wǎng)絡(luò)分析法(analytic network process, ANP)是美國(guó)T. L. Satty教授在層次分析法基礎(chǔ)上提出的一種適應(yīng)非獨(dú)立遞階層次結(jié)構(gòu)的決策方法[9-11]，該方法有效地解決了復(fù)雜系統(tǒng)中元素之間存在反饋、相互支配作用的問(wèn)題，理清能力構(gòu)成要素之間相互作用關(guān)系，已廣泛地運(yùn)用在復(fù)雜系統(tǒng)分析、評(píng)估領(lǐng)域，因此，本文采用此方法進(jìn)行通信能力的聚合評(píng)估。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析方法建立通信能力各指標(biāo)的相互依賴關(guān)系如圖3所示。

圖3　通信能力指標(biāo)間相互關(guān)系示意圖Fig.3　Diagram of relationship between communication capability indexes

評(píng)估方法確定好后，應(yīng)當(dāng)尋求合理的指標(biāo)權(quán)重及指標(biāo)屬性值計(jì)算方法。網(wǎng)絡(luò)分析法中權(quán)重向量的計(jì)算是通過(guò)專家打分獲得，并運(yùn)用熵權(quán)法進(jìn)行了修正，這樣得到的指標(biāo)權(quán)重結(jié)果只考慮了差異信息，但未考慮指標(biāo)之間的依賴、支持等相互關(guān)系，下面采用矩陣主特征值法求指標(biāo)的權(quán)重[12]。

2.1基于主特征值法的權(quán)重計(jì)算

圖3中控制層描述了需要聚合評(píng)估的能力指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)層由能力準(zhǔn)則集網(wǎng)絡(luò)和能力生成影響因素集網(wǎng)絡(luò)組成，描述了各指標(biāo)構(gòu)成要素之間的依賴、支持關(guān)系，從網(wǎng)絡(luò)層得出通信網(wǎng)絡(luò)的能力準(zhǔn)則集連接矩陣A如表1。連接矩陣中的元素aij表示該行對(duì)應(yīng)的行元素Ai對(duì)相應(yīng)的列元素Aj的連接支持關(guān)系，若無(wú)連接支持關(guān)系，則aij=0，若連接支持關(guān)系，則aij=1。

表1　通信系統(tǒng)的連接矩陣A

首先計(jì)算矩陣A的主特征值和相應(yīng)的主右特征值S，S就是列元素的協(xié)同指數(shù)，注意到A是n×n非負(fù)矩陣，根據(jù)庇隆·佛羅奔繆斯定理[12]，可以得到總可以找到惟一非負(fù)向量S≥0，使之滿足

AS=λS，

(1)

式中：λ為矩陣的具有最大絕對(duì)值的主特征值；S為與λ對(duì)應(yīng)的n×1規(guī)格化主右特征值。

同時(shí)計(jì)算矩陣A的轉(zhuǎn)置矩陣AT的主特征值與相應(yīng)的正規(guī)化主右特征向量D。矩陣AT的每一行元素之和表示對(duì)應(yīng)列元素所依賴的其他元素?cái)?shù)目。因此，矩陣AT的主特征值和對(duì)應(yīng)的規(guī)格化主右特征值向量可以確定各元素的依賴性指數(shù)Di。

則各指標(biāo)的規(guī)格化權(quán)重系數(shù)Wi的表達(dá)式為

(2)

能力生成影響因素集中指的是圖2中的底層指標(biāo)，這些因素彼此之間互不關(guān)聯(lián)，因此其權(quán)重的計(jì)算也可采用專家打分法或者綜合評(píng)判法等實(shí)現(xiàn)。

2.2指標(biāo)屬性值計(jì)算

覆蓋能力、服務(wù)能力及服務(wù)質(zhì)量的能力生成影響因素集屬于定量指標(biāo)，主要采用解析法或軌道仿真對(duì)其指標(biāo)屬性值進(jìn)行計(jì)算，也可以查閱文獻(xiàn)獲得通信網(wǎng)絡(luò)的物理特征參數(shù)及計(jì)算公式通過(guò)Matlab計(jì)算得到，同時(shí)也可通過(guò)STK軟件中的相應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)。限于篇幅，下面僅給出覆蓋區(qū)域、誤碼率、載噪比的計(jì)算表達(dá)式。

(1) 覆蓋率計(jì)算

任意時(shí)刻地面覆蓋區(qū)域的表達(dá)式為[2]

(3)

式中：dσ為最小觀測(cè)角對(duì)應(yīng)的覆蓋角；Re為地球半徑(假設(shè)地球?yàn)閳A球)。單星在某段時(shí)間內(nèi)的覆蓋范圍計(jì)算由式(1)的結(jié)果結(jié)合星下點(diǎn)軌跡求出，然后與地球表面積之比即為覆蓋率。

(2) 誤碼率計(jì)算

接收機(jī)接收的信號(hào)中存在噪聲和干擾，對(duì)通信的影響不可忽視。通信系統(tǒng)被干擾程度常使用干信比(J/S)來(lái)衡量，其表達(dá)式為

(4)

式中：Pt是接收端的干擾信號(hào)功率(dBm)；Gr，Lr分別為天線接收增益、接收天線到接收機(jī)的波導(dǎo)損耗(dB)；Po為信道白噪聲；Pr為接收到的有用信號(hào)功率。表2所示為干信比所對(duì)應(yīng)的誤碼率。

表2　干信比(dB)對(duì)應(yīng)的誤碼率(%)

(3) 載噪比計(jì)算

載噪比是指接收信號(hào)的載波功率與接收機(jī)接收端的系統(tǒng)噪聲功率之比[13]，其譜密度形式為

(5)

防護(hù)能力的能力生成因素集屬于定性指標(biāo)，其計(jì)算主要采用專家打分法實(shí)現(xiàn)。通常用低、中、高、非常高4種級(jí)別度量。若鏈路信號(hào)采用最好的加密手段時(shí)，級(jí)別為非常高；若鏈路信號(hào)采用強(qiáng)加密手段時(shí)，級(jí)別為高；若采用一般加密手段時(shí)，級(jí)別為中；若不采用加密手段時(shí)，級(jí)別為低。根據(jù)專家意見(jiàn)每個(gè)級(jí)別的打分如表3。

表3　防護(hù)能力級(jí)別打分情況

2.3能力聚合表達(dá)式

(6)

式中:N為能力影響因素的數(shù)目。

2.4能力的分級(jí)評(píng)定

上述能力聚合的計(jì)算過(guò)程中考慮了各部分影響因素的相對(duì)變化，并對(duì)各層指標(biāo)進(jìn)行了歸一化處理[14]，所以不同通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力具有可比性，因此，可根據(jù)能力值對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的能力進(jìn)行分級(jí)描述。根據(jù)專家判定的結(jié)果，本文把衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的能力劃分為差、中、較好、良好、優(yōu)秀等5個(gè)等級(jí)，各等級(jí)與能力值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4　評(píng)定等級(jí)與能力值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3算例分析

以Iridium星座為評(píng)估對(duì)象，其星座分布為66/6/(0,1,…,5)/780 km/86.4°[13]。通過(guò)查找大量文獻(xiàn)及根據(jù)上述公式計(jì)算，得到周期內(nèi)指標(biāo)屬性值(取平均值)如表5所示。

表5　指標(biāo)屬性值

對(duì)上述結(jié)果采用簡(jiǎn)單的效用函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，處理結(jié)果如表6所示。

表6　指標(biāo)屬性值歸一化結(jié)果

結(jié)合專家判定矩陣，對(duì)覆蓋能力、服務(wù)能力、服務(wù)質(zhì)量及防護(hù)能力的能力生成影響因素集的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分析，得出指標(biāo)權(quán)重值如表7所示。

表7　指標(biāo)屬性值的權(quán)重值

由連接矩陣A計(jì)算得到權(quán)重系數(shù)Wi如表8所示。

表8　能力準(zhǔn)則集的權(quán)重系數(shù)Wi

根據(jù)能力聚合表達(dá)式可得Iridium星座通信能力綜合值為0.879 1。根據(jù)能力的分級(jí)評(píng)定方法，可以得出Iridium星座通信能力評(píng)定為優(yōu)秀。

4結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力評(píng)估是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到許多不確定因素。本文利用網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)影響衛(wèi)星通信能力因素進(jìn)行分析，并運(yùn)用主特征值法計(jì)算能力指標(biāo)權(quán)重來(lái)克服網(wǎng)絡(luò)分析法在求解指標(biāo)權(quán)重時(shí)的缺陷，最后給出算例分析，評(píng)估結(jié)論與實(shí)際相符。文中的通信能力評(píng)估沒(méi)有考慮經(jīng)濟(jì)代價(jià)、技術(shù)難度及實(shí)地保障等因素，在衛(wèi)星系統(tǒng)綜合能力評(píng)估或者效能分析時(shí)應(yīng)予以考慮。

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Communication Capability Assessment of Satellite Communication Network Based on ANP

XIAO Hai, LIU Xin-xue, SHU Jian-sheng, XIA Wei

(The Second Artillery Engineering University，Shaanxi Xi’an 710025，China)

Abstract:To assess the ability of the satellite communication network, its realization process of function is analyzed thoroughly, the ability framework of satellite communication network and the key index is taken out, on this basis the capability evaluation model based on analytic network process (ANP) is established, and the main characteristic value method is was used to calculate the weights of the capability index to overcome the shortcoming of ANP, the grade assessment method of ability is taken out and its conclusion is helpful of decision making. Finally, an example is presented to verify the feasibility and availability of the model.

Key words:satellite communication network; communication capability;analytic network process (ANP); main characteristic value method; capability assessment;weight

*收稿日期：2015-01-08；修回日期：2015-07-07

作者簡(jiǎn)介：肖海(1987-)，男，湖南婁底人。博士生，研究方向?yàn)檐娛逻\(yùn)籌學(xué)。

通信地址：710025陜西省西安市灞橋區(qū)同心路2號(hào)2906分隊(duì)

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.018

中圖分類號(hào)：TN911；TN927+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2016)-02-0109-05