海戰場平流層通信效能評估研究*

門昱冰 鄭劍云 劉 丹

（1.海軍大連艦艇學院信息系統系 大連 116018）（2.中國人民解放軍31401部隊 大連 116041）

1 引言

目前我國周邊海域局勢日趨復雜，我海上編隊活動也更加頻繁。依據現有的通信手段，艦艇編隊遠程通信大多依靠短波通信和衛星通信，然而這兩種通信手段有一定的局限性。短波通信中電離層的狀態很不穩定，因而會導致通信過程受到影響甚至中斷。而我軍用衛星資源有限，覆蓋范圍也僅僅在我國周邊海域，所以當艦艇編隊執行遠海戰斗任務時，只能用點資源保障，衛星通信保障能力薄弱，可能有時無法滿足我艦艇編隊遠程通信的需要。

平流層通信作為一種新型通信手段，可以很好地彌補短波通信和衛星通信的短板，增強我艦艇編隊在遠海海域執行戰斗任務時的通信保障能力。平流層通信高度通常在距海面17km～22km處，可以用飛艇、氣球或無人機作為通訊和轉發的平臺［1～3］。與短波通信系統相比，平流層通信系統通信更加穩定，不會受電離層電子密度變化的影響，同時通信容量也更大。與傳統的衛星通信系統相比，平流層通信系統離地面更近、時延也更小，價格便宜，平臺搭建靈活，回收也更加方便快捷［4～5］。

目前尚未有針對平流層通信效能進行評估的相關研究，因此平流層通信系統在通信時的效果尚未可知。效能評估是評價一種通信手段的重要方式，基于現有的平流層通信系統理論基礎，通過數據仿真模擬構建平流層通信系統，可以對平流層通信系統有更充分的認知，準確有效地對平流層通信系統進行評估，更加直觀地比較平流層通信與其他通信手段的區別，并對增加未來艦艇編隊遠程通信手段和填補其他通信手段的劣勢具有非常重要而深遠的意義。

平流層通信作為一種無線通信手段，它的效能評估方法可以參考無線通信系統效能評估［6］。目前，常用的效能評估手段有層次分析法、模糊綜合評估法、灰色白化權函數法、因子分析法、環比系數法、熵權法、極差最大化法等。比對各種效能評估方法可知：層次分析法有效地將定量和定性結合在一起分析，原理簡單，便于計算指標權重；灰色系統理論用于描述一個信息模糊的系統，從已知信息中提取有用信息，可以準確地完成指標量化建立評估矩陣?；疑珜哟畏治龇▽⒒疑到y理論和層次分析法的優點結合在一起，運用灰色系統理論中區間灰數的白化處理，解決了傳統層次分析法中只尋求方法而忽略了系統復雜性的問題，更加符合系統的客觀實際［7］。在文獻［8～10］中使用灰色層次分析法分別評估了無線通信系統效能、機動通信系統效能、衛星通信系統效能，從中可以發現灰色層析分析法可以準確有效地對無線通信系統進行效能評估。平流層通信系統評估指標較為復雜且部分指標具有不確定性，因此非常適宜采用灰色層次分析法進行通信效能評估。本文中按照灰色系統理論先將平流層通信系統的各指標劃分層次，構建平流層通信效能分析模型，通過計算不同層次的權重值，最后運用層次分析法進行效能評估。

2 評估指標體系

2.1 指標體系建立

平流層通信效能評估的第一步是建立一個合適的效能評估指標體系。平流層通信在海戰場環境下需要保障艦艇編隊的通信順暢，因此將平流層通信系統的通信能力作為效能評估目標。通過對平流層通信進行分析并參考類似通信系統的評估指標體系［11］，從性能指標方面分析并得到了9個影響平流層通信系統通信能力的指標元素，如圖1所示，分別為通信質量、通信容量、通信速率、通信時延、通信業務、抗干擾能力、通信覆蓋范圍、通信生存能力和通信組網能力。

2.2 指標體系分析

組織專家對平流層通信效能評估指標進行打分。由于復雜影響因素和模糊主觀判斷，其中專家對于部分效能評估指標很難保證一致評判，因此需要進一步對效能評估指標進行量化處理。將評估指標分為9個標度進行量化，按照1、3、5、7、9的標度對應同樣重要、稍微重要、比較重要、十分重要、絕對重要，介于兩個等級之間取中間值。專家根據評估指標對應標度進行量化打分，提高了評判的準確性和一致性。

3 評估模型的建立及算法分析

3.1 指標權重計算

對于效能評估指標體系中的指標進行兩兩比對，按照 1～9 的標度［12］量化評判，形成判斷矩陣A=(aij)n×n，其中n為評估指標個數。關于如何確定aij的值，Saaty等［13］提出了一個引入1～9和它們的倒數作為標度的方法，1～9標度的含義如表1所示。

首先求出判斷矩陣A的特征向量W和特征根λmax。

為了保證指標權重的可靠性，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，具體步驟如下［14～16］：

1）計算一致性指標CI。

2）根據給定的表格得出平均隨機一致性指標RI。對于n=1，2，…，9，RI的值如表2所示。

表2 平均隨機一致性指標RI

3）計算一致性比例CR。

3.2 確定評估樣本矩陣

假設有k個專家對指標參數按照評估標準進行評估打分，所有得分dik組成評估樣本矩陣D，其中i∈[1，n] ：

3.3 確定評估灰類

通過分析設定4個評分標準等級（優、良、中、差），根據評分等級標準，設置4個評估灰類，其白化權函數如下［17～18］。

1）第一類灰類表示“優”(e=1)，白化權函數f1(dik)為

對應的函數圖如圖2所示。

圖2 第一類“優”的白化權函數圖

2）第二類灰類表示“良”(e=2)，白化權函數f2(dik)為

對應的函數圖如圖3所示。

圖3 第二類“良”的白化權函數圖

3）第三類灰類表示“中”(e=3)，白化權函數f3(dik)為

對應的函數圖如圖4所示。

圖4 第三類“中”的白化權函數圖

4）第四類灰類表示“差”(e=4)，白化權函數f4(dik)為

對應的函數圖如圖5所示。

圖5 第四類“差”的白化權函數圖

3.4 計算灰度評估矩陣

計算評估指標第e個灰類的評估系數Hie，總體灰色評估系數Hi，灰色評估權rie，可以得到指標對應的灰色評估權向量ri=(ri1，ri2，ri3，ri4)，公式如下：

灰色評估權矩陣R由灰色評估權向量ri構成：

3.5 灰色綜合評估

通過上文中判斷矩陣的特征向量W和灰色評估權矩陣R，計算綜合效能評估向量P，根據建立的評價集來判斷系統效能。分值向量M=(9，7，5，3)T與灰色評估等級相對應，最終計算出平流層通信系統效能評估綜合值E。

4 灰色層析分析實例

以某海域艦艇編隊遠程通信保障任務為背景，由于海戰場環境的特殊性，艦艇編隊在海上通信中可能會面臨一些問題。海上氣候條件具有不確定性，通信環境惡劣；艦艇在航行過程中需要通信保障距離遠，通信覆蓋范圍大；保障的周期較長，需要有較強的保障的持續性能力；海上通信只能依靠無線通信手段，可用通信資源較少。

4.1 指標權重計算

以3.1節中的圖1平流層通信系統效能評估指標體系為參考，確定每個指標的重要性。經過查閱相關資料和咨詢有關專家后，對評估指標進行兩兩比對。海戰場中平流層通信首先要保證通信雙方在復雜電磁環境下可以保持良好的通信狀態，因此通信質量和通信速率處于非常重要的位置；在海戰場環境下除自然干擾外，敵方對于我方通信會進行人為干擾，因此通信業務和抗干擾能力也比較重要；通信容量和通信時延可以衡量通信的傳輸能力和時效性，因此相對重要。通信覆蓋能力、通信生存能力和通信組網能力對于評價平流層通信也有一定作用，設置較小的權重。上述各評估指標的重要性如表3所示。

表3 平流層通信效能評估指標重要性表

按照表3的順序將上述評估指標量化評判可以得到相應的判斷矩陣：

運用式（1）計算得到判斷矩陣A的特征向量W。經過計算檢驗，矩陣滿足一致性要求。

4.2 確定評估樣本矩陣

假設某海域艦艇編隊遠程通信保障任務中，編隊包含15艘艦艇，每艘艦艇含一架艦載直升機，另有一架預警機。艦艇之間需要進行通信，艦艇與直升機、艦艇與預警機也需要進行通信。通過收集平流層通信的仿真參數設定，得到平流層效能評估相關參數指標，如表4所示。

表4 平流層通信效能評估指標參數表

根據任務要求，隨機生成一個具有31個節點的通信網絡，其網絡連接圖如圖6所示，由此可計算表4中的連通度。

圖6 網絡連接圖

假設此次評估設有5位專家，專家根據表4中的評估指標參數對各個指標按照0～10分的打分范圍進行打分，可以得到指標評價矩陣D。

4.3 計算評估權矩陣

以指標“通信質量”為例，各灰度的評估系數為

指標“通信質量”的總灰色評估系數為

灰色評估權向量為

將其余評估指標的灰類向量依次求出，最終得到評估權矩陣R。

4.4 灰度綜合評估

計算綜合效能評估向量P：

綜合評估值為

通過計算并結合表5中相關數據，可以判定此案例中平流層通信系統效能評估為“良”。

表5 評分等級標準

4.5 評估結果分析

現代海戰是復雜電磁環境下的信息作戰，面對戰場電磁環境惡劣、通信保障范圍廣、信息傳輸質量要求高、通信容量大等特點，平流層通信的系統效能評估為“良”，可以有力保障艦艇編隊執行海上作戰任務。

在本實例中，通過對指標參數和評估過程進行分析，發現通信容量和通信速率的實際值都小于理論值，而通信時延大于理論值，所以在實際作戰過程中，利用平流層通信時應多考慮海戰場中的自然和人為電磁干擾因素。在對平流層通信效能評估結果進行分析時發現，選取平流層通信評估指標體系和確定權重都會影響平流層通信效能評估結果。因此，在實際作戰當中，應該根據作戰任務和作戰環境的特點，選擇合適的指標體系和確定權重，可以更好地對平流層通信進行效能評估，為戰場通信指揮決策提供有力支撐。

不同的評估權重導致評估結果不同，傳統層次分析法與灰色層次分析法評估結果對比如圖7所示。傳統層次分析因為沒有考慮專家評分的隨機性，最終評估效能偏好，與系統實際效能不符。

圖7 結果對比圖

5 結語

海戰場平流層通信作為一種新型的海上通信手段，對其通信效能評估進行研究具有十分重要的意義。本文利用灰色層次分析法對平流層通信系統進行效能評估，可以有效解決平流層通信系統效能評估指標復雜、評估方法繁雜、信息不完整等問題。根據平流層通信系統的通信指標要素，構建了平流層通信系統效能評估指標體系，運用層次分析法和灰色系統理論，確定了評估矩陣的向量元素，建立了平流層通信效能評估模型，實現了對平流層通信效能的定量評估。結合案例分析可知，利用灰色層次分析法對平流層通信系統進行效能評估，評估結果與實際預期相符，驗證了利用平流層通信手段保障海戰場通信任務的可行性。