異構海域試驗通信網接入策略

晁小雨，方 勇，黨大鵬

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116011)

0 引 言

海域試驗通信網是通過高速寬帶無線傳輸鏈路實現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通信網絡，主要保障數據、語音、視頻、時間統一等業務傳輸，具有帶寬大、可靠性高、覆蓋范圍廣、組網靈活等特點，可有力提高試驗通信的保障能力[1]。海域試驗通信網由岸基節點、艦載節點組成，傳輸手段主要有短波通信、寬帶微波、衛星通信[2]。短波通信主要用于艦載節點間短距離勤務通信及應急指揮，寬帶微波和衛星通信用于大容量數據傳輸。在岸基節點覆蓋范圍內，艦載節點與岸基節點建立無線信道連接，組成岸—艦無線傳輸網絡。岸基節點覆蓋范圍外的艦載節點將前期與岸基節點連接的艦載節點作為中繼節點，實現動態組網，系統總體架構如圖1所示。

圖1 海域試驗通信網絡總體架構Fig. 1 The architecture of ocean-based heterogeneous test communication network

多種無線接入方式使海域試驗通信網具有異構性質，艦載節點經常處于多種無線網絡的重疊覆蓋范圍內。但海域試驗通信網的網絡接入選擇仍是基于信號接收強度或信噪比進行切換，判別指標單一，無法實現信息傳輸的高效能要求[3-4]。為了保證網絡資源得以充分利用，急需針對接入策略進行研究。

目前異構無線網絡接入策略大多是基于多個網絡參數綜合評價得出，相關的接入算法主要有灰色關聯度算法、收益函數算法、模糊算法、多屬性決策判決算法、多目標決策算法、逼近理想解排序法等[5-7]。為了保證試驗信息的可靠傳輸，有效利用網絡資源，減少網絡頻繁切換的“乒乓效應”[8]，需要將指揮者的偏好決策與網絡狀態、業務需求結合考慮。本文選擇采用主客觀協同決策的網絡選擇策略，即由層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）得出各網絡的主觀權重，再對網絡客觀屬性參數采用逼近最優解排序法（Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）求出綜合評價指數，對網絡進行排序后選擇最接近理想方案的網絡接入。從而可以兼顧主觀偏好與客觀網絡參數，既保證接入的網絡狀態良好，也可以滿足業務傳輸的實際需求。

1 靜態網絡接入選擇策略

層次分析法（AHP）是一種定性與定量相結合的多目標決策分析方法。層次分析法的基本思想是通過分析系統中各指標的關系，建立遞進的層次結構。然后將各個指標兩兩比較，確定指標的相對重要性。最后計算各層指標中相對于系統的總權重。逼近最優解排序法的基本思想是根據目標對象與理想解的相似程度來評價各目標對象的優劣，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將多個目標對象的決策指標構成屬性矩陣，將這個屬性矩陣歸一化處理后得出每個決策指標的最優值和最差值。所有最優值構成正理想解，最差值構成負理想解。分別計算各決策指標與正、負理想解的距離，根據距離計算得出各決策指標的排序[9]。

算法具體步驟如下：

1）構造層次分析法判決矩陣

假設有m個目標網絡需要進行排序選擇，每個網絡有n個指標，將n個指標進行兩兩比較，構造出判斷矩陣：

3）目標屬性矩陣歸一化處理

5）計算加權目標屬性矩陣理想解

根據矩陣V的每列屬性的實際意義，選擇最優值構成正理想解，選擇最差值構成負理想解。其中，對于效益型指標而言，屬性值越大越優；對于成本型指標而言，屬性值越小越優。假設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列的最大值構成，負理想解由第1列的最大值、第2列的最小值、第n列的最小值構成，則正理想解V+和負理想解V－分別為：

6）計算目標與理想解的距離

各備選網絡與正理想解和負理想解的距離分別為：

7）計算目標排序

根據TOPSIS算法，距離正理想解最近同時距離負理想解最遠的網絡即為最優網絡，即相對貼近度最大的網絡最優。計算公式為：

2 基于位置信息的改進網絡接入策略

傳統的基于AHP-TOPSIS的網絡接入選擇模型中通常假設接入節點是靜止不動的。而在海域試驗通信網中，艦載節點位置實時變化，而且移動軌跡遵循事先規劃好的航跡，因此網絡的部分指標參數變化是可以預測的。因此可以計算出在航跡中下一位置處的最佳接入網絡。如果當前接入網絡與下一位置處最佳接入網絡相同，則可以保持連接；如果不同，則切換到最佳接入網絡。

而在網絡切換過程中，也會存在丟包率增加、時延增大等問題，所以在執行切換時，比較切換前后2個接入網絡的相對接近度Ci的差值，若差值較小，說明2個網絡與理想方案的貼近度足夠接近，網絡間差距不大，此時切換網絡是不值當的，判斷為繼續使用當前網絡。若Ci的差值較大，則可以切換為貼近度更高的網絡。

基于位置信息的網絡接入策略流程如圖2所示。

圖2 基于位置信息的網絡接入策略流程Fig. 2 Flow chart of network access algorithm based on location

根據海上試驗特點，將業務分為實時數據、勤務電話、實時圖像、指揮調度，針對不同的需求特征計算各類業務的屬性權重。各類業務的需求特征如表1所示。

表1 試驗通信業務需求特征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擁塞，導致各網絡在短時間內性能貼近度發生頻繁變化，導致乒乓效應，影響通信質量。因此引入切換代價二次判斷的改進方法，即根據各網絡在不同位置處的參數，計算各個網絡下4種業務的貼近度。將各個業務賦予權重，計算綜合評價。比較不同位置處的綜合評價得分，例如A處若選擇網絡N1，在B處選擇網絡N2，比較兩者綜合評價得分，若相差大于0.2，即認為切換代價值得，則切換N2。

3 仿真分析

3.1 場景設置

假設艦載節點從遠海向海岸行駛，依次經過A，B，C，D，E五個位置，其主要業務為實時數據、實時圖像、勤務電話、指揮調度中的一種。令模擬循環2 000次，每種業務發生次數相同。共有N1，N2，N3三個候選網絡可供艦載節點選擇接入。N1網絡中，艦載節點在遠海處通過微波接入到中繼節點，中繼節點通過微波接入岸基微波節點，最后經由地面光纖傳輸至指揮中心。當節點進入岸基節點覆蓋范圍后，直接接入岸基微波節點并由地面光纖接入指揮中心。N2為艦載節點通過動中通經衛星鏈路直接接入指揮中心。N3為艦載節點通過微波接入中繼節點，中繼節點再通過衛星鏈路接入指揮中心。

3種網絡的區別主要如表2所示。

表2 三種接入網絡特點Tab. 2 The characteristic of three networks

根據上文所述層次分析法，分別計算各類業務的網絡指標權重如表3所示。

表3 各類試驗通信業務的網絡指標權重Tab. 3 Network index weights of test communication services

仿真參數設置如表4所示。

表4 仿真參數設置Tab. 4 Simulation parameters

3.2 結果分析

3.2.1 網絡選擇概率統計

對每種業務仿真循環500次，選擇3種網絡的概率如圖3所示。可以看出，對于指揮調度、實時數據

圖3 不同位置處的網絡選擇概率Fig. 3 Mesh selection probobility at different locations

2種業務而言，其所需的帶寬較小，但對抖動、時延比較敏感，因此在A，B，C三個位置處選擇接入N2網絡，可以滿足其可靠傳輸的需求。勤務電話、實時圖像需要較大的帶寬，因而在A，B，C三個位置處選擇接入N3。隨著節點移動位置變化，N1網絡性能提高，各項業務在D，E均選擇接入N1網絡來保證傳輸質量和網絡連接。

3.2.2 平均切換次數

不同業務類別的網絡切換次數如圖4所示。由圖4可知，本文的改進方法平均切換次數最少，平均權值（即各項業務權重相同）的切換次數最多，基于AHP加權算法的切換次數次之。結合切換代價二次判斷的改進方法使切換次數明顯減少，避免網絡因為貼近度相差很小而頻繁切換，從而減少了切換過程導致的丟包，以更小的代價獲得更優的通信性能。

圖4 不同業務類別的網絡切換次數Fig. 4 Network switching times of different service categories

4 結 語

本文提出一種海上機動試驗通信網的異構網絡接入選擇算法。該算法采用層次分析法評估對各類業務對網絡參數的權重，然后采用TOPSIS方法對備選網絡評估，結合網絡切換代價二次判斷，進行網絡接入選擇。仿真計算表明，本文方法能夠充分考慮業務特點和備選網絡實時狀態，有效選擇理想接入網絡，而且在網絡貼近度相近時，能夠考慮網絡切換代價，減少切換次數，避免頻繁切換導致的丟包，提高試驗信息的傳輸可靠性。

下一步，將針對海上試驗多用戶自組網的網絡接入選擇及負載均衡進行研究。