基于加權自然連通度的戰(zhàn)術通信網對抗效能評估方法研究

褚家旭 何旭 趙彬

摘要：戰(zhàn)術通信網對抗涉及到對抗雙方裝備水平、通信網絡結構、對抗戰(zhàn)術運用等多個方面，對其進行定量評估較為困難。本文介紹了戰(zhàn)術通信網的構成，給出了一種對戰(zhàn)術通信網對抗效果評估的方法，該方法將戰(zhàn)術通信網對抗效果評估劃分為偵察效果和干擾效果，給出了對戰(zhàn)術通信網偵察效能評估的指標體系，提出了一種基于加權自然連通度的戰(zhàn)術通信網干擾效能評估方法，最后介紹了戰(zhàn)術通信網對抗效果的綜合評估方法，并給出了詳細的算法步驟和評估實例。

關鍵詞：戰(zhàn)術通信網;通信網對抗;自然連通度;評估

中圖分類號：TN915.853 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0015-03

0 引言

在地面戰(zhàn)役戰(zhàn)術作戰(zhàn)環(huán)境中，超短波戰(zhàn)術通信電臺廣泛應用于師旅級以下作戰(zhàn)單位，是各國在軍事領域爭先研究和發(fā)展的重要內容[1]。目前，戰(zhàn)術通信網的抗干擾和生存能力受到了前所未有挑戰(zhàn)，而戰(zhàn)術通信網絡對抗效能評估也成為戰(zhàn)術通信網建設發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。

各國近年來有多型超短波戰(zhàn)術通信對抗裝備進行了研制和列裝，這些裝備的作戰(zhàn)對象包含了各類超短波戰(zhàn)術通信網，其對抗效果評估具有非常重要的意義。由于涉及到雙方裝備水平、通信網絡結構、對抗戰(zhàn)術運用等多方面，評估網絡對抗效果非常復雜和繁瑣。目前在通信鏈路對抗效果評估方面已經進行了大量的研究工作，但對通信網對抗效果評估方面還研究較少。

1 戰(zhàn)術通信網

1.1 概述

戰(zhàn)術通信網是指戰(zhàn)術兵團、部（分）隊在上級編成內獨立執(zhí)行戰(zhàn)斗任務時，根據所擔負的任務、部署和指揮要求，使用編成內及加強的戰(zhàn)術通信裝備，采用科學的通信組織形式和方法而建立的信息傳輸、交換的網絡體系[2]。為適應戰(zhàn)場作戰(zhàn)指揮層級，地面通信電臺組網時，一般分為上層戰(zhàn)術互聯(lián)網和下層戰(zhàn)術互聯(lián)網。

上層戰(zhàn)術互聯(lián)網即師戰(zhàn)術互聯(lián)網，主要連接旅級以上的作戰(zhàn)指揮單元。該類網絡以美軍的移動用戶設備（MSE）和我軍的野戰(zhàn)地域網為典型代表，主要采用微波通信、衛(wèi)星通信等手段[3]。下層戰(zhàn)術互聯(lián)網即旅和旅以下戰(zhàn)術互聯(lián)網，用于連接旅和旅以下作戰(zhàn)單元。在戰(zhàn)術互聯(lián)網中，應用系統(tǒng)和通信網絡一般通過IP協(xié)議互聯(lián)，提供指揮控制數(shù)據交換和態(tài)勢感知功能，同時提供保密話音通信。下層戰(zhàn)術互聯(lián)網中通常包括末端戰(zhàn)術子網以及骨干數(shù)據通信網絡。

1.2 骨干數(shù)據網絡

骨干數(shù)據網構建于末級戰(zhàn)術子網上層，以美軍的EPLRS電臺、我軍的TCR-173電臺為典型代表，主要應用于旅營、營連級指揮所節(jié)點大量數(shù)據傳輸?shù)膽眯枨蟆Ｔ摷墑e網絡由于需傳輸?shù)臉I(yè)務數(shù)據速率較高，通常工作于UHF工作頻段（225MHz-512MHz），通常采用比較多樣的組網方式。例如，我軍戰(zhàn)術互聯(lián)網中，TCR-173電臺采用無線Mesh組網應用方式;美軍戰(zhàn)術互聯(lián)網中，NTDR電臺網絡采用分級分布式組網方式;EPLRS網絡采用集中控制式與分布式結合的組網方式。

1.3 末端戰(zhàn)術子網

末端戰(zhàn)術子網一般由超短波戰(zhàn)術通信電臺組成，典型裝備包括美軍的SINCGARS電臺、北約的PR4G電臺和我軍的TCR171電臺等，主要裝備于戰(zhàn)場前沿營連以下戰(zhàn)術作戰(zhàn)單位，實現(xiàn)戰(zhàn)場前沿的態(tài)勢感知、偵察信息搜集上報、話音指揮通信等;也可應用與旅營級指揮所，實現(xiàn)指揮所之間的話音指揮通信。為適應復雜多變的地面環(huán)境，該類網絡通常工作于VHF頻段（30-88MHz），主要采用戰(zhàn)斗網和無線分組網等應用模式，采用Ad hoc自組織網絡協(xié)議，以適應戰(zhàn)場末級網絡環(huán)境高動態(tài)變化、自組織自恢復的要求[4]。末級子網通常采用的組網方式包括戰(zhàn)斗網（CNR）和分組網（PRN）。

戰(zhàn)斗網模式主要應用于實時性較強的話音/數(shù)據指揮通信，該模式是跳頻電臺最初的應用模式。該網絡模式下，網絡通常為任意網模式。網絡中所有電臺以CSMA等方式競爭占用信道，一旦某個電臺競爭得到信道傳輸資源，則信道為其獨享直至其發(fā)送結束。同一時刻，網絡中僅有一部電臺在發(fā)送，其他所有電臺均處于接收狀態(tài)，監(jiān)聽發(fā)送電臺發(fā)送的信息。分組網模式主要應用于戰(zhàn)場上的非實時系統(tǒng)，采用無線自組織網（Ad Hoc網絡）方式。

1.4 典型網絡結構

戰(zhàn)術通信網一般采用分層的網絡架構，每一層都是分布式的自組織網絡，底層為戰(zhàn)術用戶接入網層，主要由超短波通信電臺和各種無線終端組成;接入網層之上為骨干網絡層，主要依靠寬帶無線通信設備形成對作戰(zhàn)區(qū)域內的有效覆蓋，具備大容量骨干傳輸能力，是戰(zhàn)術通信系統(tǒng)中信息傳輸與交換的公共平臺。接入網層與骨干網層之間通過接入節(jié)點連接，接入網層用戶通過自組織網絡，以一跳或多跳的形式接入骨干網層，形成一體化無縫互聯(lián)網絡。目前，各國戰(zhàn)術通信網絡大都采用Mesh網與Ad-hoc網絡的典型組網模式，即采用無線Mesh網構建戰(zhàn)術通信的核心網絡，覆蓋整個作戰(zhàn)地域，網絡中的用戶群組成網絡，采用多跳方式接入Mesh核心網層[2]。

當前，戰(zhàn)術通信系統(tǒng)的網絡結構向著扁平化、分布式、自組織的方向發(fā)展，存在著樹狀網、星狀網和網狀網等幾種基本形態(tài)。在實際組網過程中，戰(zhàn)術通信網通常根據任務要求和通信裝備性能，依據基本形態(tài)進行隨機組合，沒有固定的組網模式。比如，部隊應用非常廣泛的網狀網和復合網等形式，圖1給出了某任務中采用的五節(jié)點網狀網結構。

2 戰(zhàn)術通信網對抗效果評估方法

對戰(zhàn)術通信網對抗效果進行評估時，可由偵察效果和干擾效果兩個方面來進行。

2.1 戰(zhàn)術通信網偵察效果評估

在進行偵察效果評估時時，可由被試裝備在規(guī)定時間內獲取目標通信網頻率集、跳速等參數(shù)的概率以及目標通信網拓撲結構、編碼方式、幀結構、信息提取等方面來進行評判。

戰(zhàn)術通信網偵察效果評估指標體系如圖2所示。

其中“”、“”代表下層指標向上層指標聚合的方式。“”代表下層指標以“或”的方式向上層指標聚合;“”代表下層指標以“與”的方式向上層指標聚合。在實施過程中，可以根據任務需要，采用專家打分法、實際測試等來確定各指標權重，從而計算得到對戰(zhàn)術通信網的偵察效果的評估值。

2.2 戰(zhàn)術通信網干擾效果評估

進行干擾效果評估時，可由戰(zhàn)術通信網在被攻擊前后通信網性能的變化來進行，需要結合戰(zhàn)術通信網的功能與性能，選擇相應的網絡性能指標進行描述，并進行指標的量化處理。對戰(zhàn)術通信網干擾效果進行評估時，可以選擇的指標非常多，按照不同網絡層次可分為物理層、鏈路層、網絡層、應用層等層級，如干擾前后的節(jié)點及網絡吞吐量、延時、阻塞概率和截獲數(shù)據量等指標，還需考慮網絡的生存性即表示在隨機破壞作用下，能保持網絡連通的概率等，如圖3所示。

這些指標能夠反應戰(zhàn)術通信網對抗效果，但完全采用上述指標對通信網進行對抗試驗的話，其測試工作量大，部分指標難以準確測試。從通信干擾裝備的現(xiàn)狀來看，目前對戰(zhàn)術通信網多采用壓制干擾，部分單位提出了針對通信網同步信號的干擾技術其本質也是一種壓制干擾。在對通信網實施干擾時，干擾設備可能壓制部分通信鏈路，并影響部分通信鏈路的可靠性，因此本文對戰(zhàn)術通信網自然連通度進行加權，綜合衡量其可靠性和抗毀性來評定戰(zhàn)術通信網干擾效果。

2.2.1 可靠性與抗毀性

通信網的可靠性是指在人為或自然的破壞作用下，在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內傳輸網絡通信業(yè)務的能力;通信網的抗毀性是其拓撲結構可靠性的度量參數(shù)，用于衡量在不考慮網絡節(jié)點和鏈路的可靠度，網絡中的節(jié)點（或鏈路）發(fā)生自然失效或遭受有意干擾的情況下，通信網保持連通的能力。以圖4所示的四節(jié)點的網狀網和星形網兩種網絡結構為例，假定通信望中節(jié)點全部可靠，鏈路不可靠，其中a）圖任意相鄰節(jié)點的鏈路可靠度全部為0.4;b）圖任意相鄰節(jié)點的鏈路可靠度全部為0.7。

（1）可靠性分析。為簡化計算，這里只計算C、D兩節(jié)點的可靠性。a圖中可能的途徑為C-D、C-B-D和C-A-D，則C、D兩節(jié)點連通的概率為：，同理b圖中C、D的連通概率為。

（2）抗毀性分析。定義抗毀性為破壞兩節(jié)點連通所需最小去掉的邊數(shù)，可看出a圖中破壞CD兩點連通至少去掉的邊數(shù)為3，而b圖中破壞CD兩點連通至少去掉的邊數(shù)為1。即，。

從以上結果可以看出，a圖的抗毀性較好，且可靠性稍好于b圖。

通信網的可靠性給出了在干擾或破壞情況下的網絡性能，描述了隨機性破壞以及網絡拓撲結構對通信網性能的影響;抗毀性描述了在人為破壞作用下的網絡可靠性，它假定“破壞者具有關于網絡結構的全部或部分資料，并采用一定的破壞策略”。對于一個通訊網，網絡的抗毀性表明至少需要破壞幾個節(jié)點或幾條鏈路才能中斷部分節(jié)點之間的通信，即破壞一個通訊網的困難程度，它是基于圖論的概念中提出來的，從網絡連通性的角度描述了網絡拓撲結構對通訊網性能的影響。

2.2.2 戰(zhàn)術通信網的自然連通度

國防科技大學吳俊等在文獻[5]中給出了網絡的“自然連通度”的概念，并采用自然連通度對通信網抗毀性進行了分析，這里進行簡單介紹。

將戰(zhàn)術通信網簡化為由節(jié)點和鏈路構成的圖，其中是一個無向的連通圖，表示節(jié)點與鏈路交替出現(xiàn)所組成的網絡，其任意節(jié)點戰(zhàn)術通信網可使用其鄰接矩陣表示，若圖中任意相鄰兩節(jié)點、間存在直達通信鏈路，則，否則。定義圖中節(jié)點和鏈路交替出現(xiàn)的序列為途徑，為路徑長度，稱起始節(jié)點與終止節(jié)點相同的途徑為閉途徑。從例子可以看出抗毀性與相同起止節(jié)點間替代途徑的多少成正相關，度量通信網抗毀性可對通信網中全部節(jié)點對之間任意長度為的途徑數(shù)量求和：

（1）

公式（1）計算量和難度較大，難以直接應用，故采用對通信網中閉途徑數(shù)量并進行加權的方法來衡量通信網替代路徑的冗余性：

（2）

式中，為通信網中長度為的閉途徑數(shù)量，計算時允許節(jié)點和路徑重復。

修正系數(shù)的選取主要是考慮到越長的途徑被重復計算的次數(shù)越多，且對網絡抗毀性的貢獻越小，并保證算式收斂的需要。文獻[3]證明了：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，為戰(zhàn)術通信網鄰接矩陣的特征根，計算時允許節(jié)點和路徑重復。

圖的自然連通度定義為：? ?（4）

自然連通度關于添加邊或移除邊是嚴格單調的，這意味著自然連通度能夠描述通信網抗毀性的細微差別，得到的結果與直觀判斷相符。

2.2.3 基于加權自然連通度的戰(zhàn)術通信網干擾效果評估

采用自然連通度來評估戰(zhàn)術通信網抗毀性時，僅考慮了通信鏈路受到完全壓制或物理摧毀的情況。實際上，干擾設備在對通信網實施干擾時，部分通信鏈路可能存在未完全壓制、連通概率下降的情況，也就是影響了部分通信鏈路可靠性，考慮到這種情況，可以將鏈路的連通概率以權重的形式引入通信網對應的鄰接矩陣，并計算加權后的自然連通度?？梢钥闯?，加權自然連通度綜合反應了通信網的抗毀性和可靠性，對通信網的干擾效果可采用干擾前后的加權自然連通度變化來衡量。

圖的鄰接矩陣為：? ? ? ? ?（5）

各鏈路連通概率所對應的權值矩陣定義為：

（6）

加權后的鄰接矩陣定義為：

（7）

加權自然連通度可參照公式（4）計算獲得。

則對通信網干擾效果的評估值的計算公式為：

（8）

2.3 戰(zhàn)術通信網對抗效果的綜合評估

對戰(zhàn)術通信網對抗效果進行評估時，可由偵察效果和干擾效果兩個方面來進行。以某型裝備對戰(zhàn)術通信網的典型對抗任務來看，對通信網偵察任務具有更重要的意義。首先是偵察能力直接影響干擾結果，在無偵察結果的情況下不能實施干擾;另一方面，若干擾設備故障不能實施干擾，偵察結果仍具有引導友方火力打擊的重要意義。故本文定義戰(zhàn)術通信網對抗效果的綜合評估值為：

（9）

式中，為戰(zhàn)術通信網對抗效果的綜合評估值;

為3.1節(jié)介紹的戰(zhàn)術通信網偵察效果評估值，考慮到干擾設備在不能進行偵察的情況下不能實施干擾，故將值加權至干擾效果評估值中;

為3.2.3節(jié)介紹的干擾效果評估值;

和分別為和的權重，可根據承擔任務的需要確定，且，本文分別取0.7和0.3。

可以看出，綜合評估值取值范圍為0～100%，該數(shù)值可以定量評估戰(zhàn)術通信網對抗效果，可根據作戰(zhàn)使用需求和試驗的實際情況定義戰(zhàn)術通信網對抗效果等級及對應分值，本文劃定的對戰(zhàn)術通信網對抗效果評估等級如表1所示。

2.4 評估實例

以某型裝備對通信網干擾結果為例進行評估，分層次對底層指標進行聚合，得到偵察效果評估分值為0.4，如圖5所示。

將干擾試驗前后的鏈路連通概率代入公式（5）～公式（9），計算得干擾效果評估分值，戰(zhàn)術通信網對抗效果的綜合評估值。根據戰(zhàn)術通信網對抗效果等級劃分的定義，可對該型裝備對戰(zhàn)術通信網對抗效果做出“中等”的評價。

3 結語

戰(zhàn)術通信網通信效能相關評估指標較多，評估方法復雜，且存在部分指標難以測試的實際難題，本文從實際應用的角度出發(fā)，提出了一種簡單易行的綜合評估方法。根據作戰(zhàn)任務的實際需求，文中部分參數(shù)取值可進行適當調整。

參考文獻

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Research on Tactical Communication Network Confrontation Effectiveness Evaluation Method Based on Weighted Natural Connectivity

CHU Jia-xu，HE Xu，ZHAO Bin

（China Luoyang Electronic Equipment Test Center， Luoyang? Henan? 471000）

Abstract：Tactical communication network confrontation involves multiple aspects of the equipment level of the opposing sides， the structure of the communication network， and the use of confrontation tactics. Quantitative evaluation of it is difficult. Firstly， the article introduces the composition of tactical communication network， and gives a method for evaluating the countermeasure effect of tactical communication network. This method divides the countermeasure evaluation of tactical communication network into reconnaissance effect and interference effect. Secondly， the article gives an index system for evaluating the effectiveness of tactical communication network reconnaissance， and proposes a method for evaluating the effectiveness of tactical communication network interference based on weighted natural connectivity. Finally， the article introduces a comprehensive evaluation method of the tactical communication network countermeasure effect， and gives detailed algorithm steps and evaluation examples.

Key words：tactical communication network;communication network confrontation; natural connectivity;evaluation