衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指標(biāo)體系研究與評(píng)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(duì)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(dòng)性能好、生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代通信中扮演著重要角色。同時(shí)，衛(wèi)星通信的獨(dú)有特點(diǎn)也促使衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的重要軍事通信手段［1］。現(xiàn)在，我國(guó)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(yùn)行過(guò)程中，對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于及時(shí)掌握衛(wèi)星通信網(wǎng)運(yùn)行情況，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)、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(píng)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(píng)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(píng)估方法。但是多數(shù)研究都是針對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的綜合評(píng)估，而很少針對(duì)正在運(yùn)行的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估。但是多數(shù)針對(duì)正在運(yùn)行的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)評(píng)估研究都是通過(guò)獲取衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的丟包率、時(shí)延等IP協(xié)議層的指標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信情況評(píng)估［4］，而很少針對(duì)未采用IP體制的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估。文中針對(duì)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(yùn)行質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系，研究了基于模糊綜合的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估方法。

1 衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)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(píng)價(jià)衛(wèi)星話音通信網(wǎng)［5］的運(yùn)行質(zhì)量，首先需要建立一個(gè)合理完善客觀的指標(biāo)體系［6］?？紤]到評(píng)價(jià)過(guò)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(diǎn)，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(yùn)行狀態(tài)。

(2)獨(dú)立性原則

構(gòu)建的指標(biāo)體系中各指標(biāo)盡可能地獨(dú)立，減少指標(biāo)內(nèi)涵的重疊度，各個(gè)指標(biāo)相對(duì)獨(dú)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(cè)度與不可測(cè)度、穩(wěn)定與不穩(wěn)定等多種情況，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)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(cè)量方法，具有現(xiàn)實(shí)統(tǒng)計(jì)意義，以便于定量分析、操作和驗(yàn)證。

(4)理論與實(shí)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)開(kāi)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(yùn)行質(zhì)量的定義，定義衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(yùn)行過(guò)程中基本組成要素的運(yùn)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(dòng)態(tài)維護(hù)其運(yùn)行有效性的能力，同時(shí)也反映了運(yùn)營(yíng)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(yùn)行質(zhì)量直接影響業(yè)務(wù)的效果。反過(guò)來(lái)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(yùn)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(lái)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(shí)長(zhǎng)、全網(wǎng)平均每天小站通信時(shí)長(zhǎng)、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(kāi)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(qǐng)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(diǎn)與鏈路組成。由于衛(wèi)星通信采用無(wú)線傳輸，組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是否能支撐網(wǎng)絡(luò)的良好運(yùn)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(wú)故障時(shí)間、平均故障恢復(fù)時(shí)間、小站故障率。其中，故障的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)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(huì)迅速惡化。網(wǎng)絡(luò)安全不僅包括正在運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全，也包含通過(guò)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^(guò)密鑰加密來(lái)實(shí)現(xiàn)。密鑰加密算法的強(qiáng)度取決于密鑰的更換周期與長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)人為和非人為的電磁干擾的抵抗能力?？臻g電磁環(huán)境事件是指日凌、太陽(yáng)風(fēng)暴等無(wú)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(tái)風(fēng)、強(qiáng)降雨、強(qiáng)風(fēng)等造成電磁信號(hào)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(yùn)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(yùn)行質(zhì)量評(píng)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(yùn)行質(zhì)量評(píng)估方法

由于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量是根據(jù)多個(gè)指標(biāo)的評(píng)測(cè)結(jié)果來(lái)確定的，雖然很多指標(biāo)能夠得到一些數(shù)值，但還需要對(duì)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(píng)價(jià)法［6］研究衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估。

2.1 建立評(píng)語(yǔ)等級(jí)和確定影響評(píng)估對(duì)象的因素

建立評(píng)估對(duì)象的因素論域U，建立評(píng)語(yǔ)論域V及評(píng)語(yǔ)對(duì)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(lái)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量的指標(biāo)體系由兩級(jí)指標(biāo)構(gòu)成，假定一級(jí)指標(biāo)域用A表示;二級(jí)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(dòng)物依舊以散養(yǎng)為主，規(guī)?；?、集約化畜牧生產(chǎn)即使有發(fā)展趨勢(shì)，但占據(jù)比例小，無(wú)法滿足當(dāng)代蓄禽業(yè)發(fā)展需求。許多動(dòng)物是小規(guī)模生產(chǎn)，一家一戶形式，養(yǎng)殖場(chǎng)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(wú)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(dòng)物工作，無(wú)法根據(jù)免疫流程實(shí)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(guò)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(duì)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(jì)算和一致性檢驗(yàn)

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

計(jì)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(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax:

一致性檢驗(yàn):

其中，n為矩陣的維數(shù)。

設(shè)第一級(jí)指標(biāo)各指標(biāo)的權(quán)重為Wi，i=1，2，…，n。n為一級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。則通過(guò)以上步驟，就可以確定一級(jí)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(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)語(yǔ)論域V之間進(jìn)行單因素評(píng)估，建立模糊關(guān)系矩陣R:

其中，x為所有二級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)，m評(píng)語(yǔ)等級(jí)個(gè)數(shù)。矩陣R中的元素rij表示指標(biāo)域中第i個(gè)指標(biāo)ai對(duì)應(yīng)于評(píng)語(yǔ)等級(jí)V中第j個(gè)等級(jí)vj的隸屬程度。

對(duì)每一個(gè)二級(jí)指標(biāo)域Bi來(lái)說(shuō)，它的權(quán)重分配為Wij，則可以得到一級(jí)評(píng)判向量:

則對(duì)于每一個(gè)一級(jí)指標(biāo)域來(lái)A說(shuō)，它的單因素模糊關(guān)系矩陣為:

其中，n為一級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

2.4 計(jì)算最終評(píng)估結(jié)果

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

其中，m評(píng)語(yǔ)等級(jí)個(gè)數(shù)，bj表示評(píng)估對(duì)象從整體上看對(duì)vj等級(jí)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(píng)估值，得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果E:

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

3 結(jié)語(yǔ)

衛(wèi)星通信的獨(dú)有特點(diǎn)促使衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)已發(fā)展成為我國(guó)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(píng)估是一個(gè)非常關(guān)注的問(wèn)題。文中針對(duì)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(shí)際運(yùn)行和管理的需求，提出了一組衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)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(gè)一級(jí)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(yùn)行質(zhì)量的各個(gè)因素歸納到一級(jí)指標(biāo)下，并由上至下進(jìn)行補(bǔ)充。最后，利用模糊綜合評(píng)價(jià)法完成了對(duì)衛(wèi)星話音通信網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的評(píng)估，為衛(wèi)星話音通信網(wǎng)的管理提供了參考。

［1］ 尹志忠，陳靜毅，周賢偉.美軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)研究［J］.通信技術(shù)，2009，42(11):55 －58.YIN Zhi－ zhong，CHEN Jing － yi，ZHOU Xian － wei.Development and Technology of U.S.Military Satellite Communication Systems［J］.Communications Technology，2009，42(11):55 －58.

［2］ 尹江麗，王莉.軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系［J］.武器裝備自動(dòng)化，2008，27(06):9－11.YIN Jiang － li，WANG Li.Research on Effectiveness Evaluation Index System ofMilitary Satellite Communication System［J］.Armament Automation，2008，27(06):9 －11.

［3］ 楊巧麗，葉淦華，陸銳敏.基于模糊推理的星座通信系統(tǒng)綜合效能評(píng)估方法［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2009，35(03):8－10.YANG Qiao－li，YEGan－h(huán)ua，LU Rui－min.Synthetic Performance Evaluation for ConstellationCommunication System Based on Fuzzy Theory［J］.Radio Communications Technology，2009，35(03):8 －10.

［4］ 張昭，邊東明，孫謙等.衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估方法研究［J］.數(shù)字通信世界，2010，5(03):61 －64.ZHANG Zhao，BIAN Dong － ming，SUN Qian et al.Research on Performance Evaluation Method of Satellite Communication Network［J］.Digital Communication World，2010，5(03):61 －64.

［5］ 馬刈非.衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.MA Yi－ fei.Satellite Nework Communicate Technology［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2003.

［6］ 張杰，唐宏，蘇凱，等.效能評(píng)估方法研究［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009.ZHENG Jie，TANG Hong，SU Kai，et al.Research on the effectiveness evaluation method［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2009.

［7］ 夏靖波，羅赟騫.IP網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量模糊綜合評(píng)估方法研究［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40(02):267 －272.XIA Jing－bo，LUO Yun－qian.Fuzzy Comprehensive E-valuation Method of IP Network Operational Quality［J］.Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2011，40(02):267 －272.