卫星话音通信网运行质量指标体系研究与评估

杨 柳，张 宁

(1.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京210007;2.网络技术管理中心，北京100840)

0 引言

卫星通信相对于其他通信手段，具有覆盖范围广、接入容量大、可靠性高、组网灵活、机动性能好、生存能力强等优点，在现代通信中扮演着重要角色。同时，卫星通信的独有特点也促使卫星通信网络成为未来战争的重要军事通信手段［1］。现在，我国己经建成了多种卫星通信网络，如何充分有效发挥现有卫星通信网络作用已经成为重要研究方向。而在卫星通信网络运行过程中，对卫星通信网络进行评估，对于及时掌握卫星通信网运行情况，评估网络运行状况，实时、准确的做出相应策略，配置网络相关参数，提高卫星通信网络性能具有重要意义。

目前，已有大量关于卫星通信系统效能评估的研究。参考文献［2］研究了军用卫星通信系统效能评估指标体系，参考文献［3］提出了基于模糊推理的卫星系统综合效能评估方法。但是多数研究都是针对卫星通信网络规划方案的综合评估，而很少针对正在运行的卫星通信网络进行评估。但是多数针对正在运行的卫星通信网络评估研究都是通过获取卫星通信网络的丢包率、时延等IP协议层的指标对网络通信情况评估［4］，而很少针对未采用IP体制的卫星通信网络进行评估。文中针对以话音为主要业务的非IP体制的卫星通信网络，建立了该卫星通信网络运行质量评估指标体系，研究了基于模糊综合的网络运行质量评估方法。

1 卫星话音通信网运行质量评估指标体系

1.1 指标体系构建原则

为全面、科学的评价卫星话音通信网［5］的运行质量，首先需要建立一个合理完善客观的指标体系［6］。考虑到评价过程的可行性和科学性，结合卫星通信网络的特点，提出构建指标体系应遵循的下列原则:

(1)全面性原则

选取的指标能比较全面、有效地反映网络的运行状态。

(2)独立性原则

构建的指标体系中各指标尽可能地独立，减少指标内涵的重叠度，各个指标相对独立反映网络的某一方面现状，避免冗余指标。

(3)定性与定量相结合原则

卫星通信网络存在着精确与模糊、可测度与不可测度、稳定与不稳定等多种情况，对整个网络的评估需要定性与定量表示相结合。定性指标必须要有明确的定义，以便进行定性分析。定量指标必须要有明确测量方法，具有现实统计意义，以便于定量分析、操作和验证。

(4)理论与实践相结合的原则

指标体系的设置一方面可以参考相关标准、文献或已有工作成果，另一方面也可以从收集实际网络的数据开始，进行指标的探索性分析。

1.2 指标体系的要素分析

借鉴文献［7］中IP网络运行质量的定义，定义卫星话音通信网运行质量是在实际运行过程中向用户提供的服务特性与用户的要求一致程度。从管理功能看，网络质量应该包括网络性能、网络安全、网络维护等方面的内容;网络性能反映了网络运行过程中基本组成要素的运行情况;网络安全反映了相关网络安全措施为网络提供的安全防御能力;网络维护网络动态维护其运行有效性的能力，同时也反映了运营维护部门的维护能力。

(1)网络性能

卫星话音通信网是一种采用卫星通信技术承载话音业务的基础网络。其网络的运行质量直接影响业务的效果。反过来看，其网络承载的业务性能即网络状态是否满足业务传输的需求也能反映出网络的运行质量。文中采用面向业务的思想代替面向设备的思想来考虑网络性能的指标选取。

文中归纳的网络性能指标包括全网平均每天呼叫总次数、全网平均每天呼通率、全网平均每天小站在线时长、全网平均每天小站通信时长、平均每天通信小站比率、平均每天在线小站比率。其中，小站是指组成卫星通信网的机载站、车载站、便携站、手持站等各类地球站的统称。小站的在线状态表示小站开机且中央站知道小站已经配置到该网络频段，但小站未发起通信请求。

(2)网络维护

从物理结构看，网络是由节点与链路组成。由于卫星通信采用无线传输，组成网络的节点是否能支撑网络的良好运行，即设备性能，是影响网络维护能力的重要因素。

文中归纳的网络维护指标包括小站平均寿命、卫星寿命、平均无故障时间、平均故障恢复时间、小站故障率。其中，故障的计算与统计包括中央站与各地球站。

网络安全与网络性能息息相关，一旦网络安全受到威胁，网络性能指标将会迅速恶化。网络安全不仅包括正在运行的网络系统的安全，也包含通过网络传递的信息的安全。在卫星话音通信网中，传输的话音安全通过密钥加密来实现。密钥加密算法的强度取决于密钥的更换周期与长度。

文中归纳的网络维护指标包括抗干扰能力、密钥的更换周期、密钥长度、空间电磁环境事件频率、地面恶劣气候环境事件、卫星异常事件频率。其中，抗干扰能力包括卫星和小站对人为和非人为的电磁干扰的抵抗能力。空间电磁环境事件是指日凌、太阳风暴等无法采用抗干扰技术解决的大范围电磁干扰。地面恶劣气候环境事件包括暴风、大雪、台风、强降雨、强风等造成电磁信号急剧衰落的事件。卫星异常事件包括姿态异常、燃料泄漏、星蚀、电池异常、硬打击。

1.3 卫星话音通信网运行质量指标体系构建

按照层次结构分类归纳，构建如图1所示的指标系。

图1 卫星话音通信网运行质量评估指标体系Fig.1 Index system of satellite communication network operating quality

2 卫星通信网络运行质量评估方法

由于网络运行质量是根据多个指标的评测结果来确定的，虽然很多指标能够得到一些数值，但还需要对一些数值进行定性判断，这种定性具有一定的模糊性，并非完全准确，因此，文中采用模糊综合评价法［6］研究卫星话音通信网运行质量评估。

2.1 建立评语等级和确定影响评估对象的因素

建立评估对象的因素论域U，建立评语论域V及评语对应的分值S。

2.2 确定指标的权重

文中采用层次分析法层次分析法来计算指标权重，卫星通信网络运行质量的指标体系由两级指标构成，假定一级指标域用A表示;二级指标域用B表示。

(1)构建权重判断矩阵

当前许多地方是小动物依旧以散养为主，规模化、集约化畜牧生产即使有发展趋势，但占据比例小，无法满足当代蓄禽业发展需求。许多动物是小规模生产，一家一户形式，养殖场户在生产中随意添加饲料、药物和添加剂，排泄物处理和管理等无法达到标准。免疫程序制定随意，监控管理难度大，尤其是防疫动物工作，无法根据免疫流程实施。

为了得到量化的判别矩阵，引入1－9的标度法，如表1所示。在1－9的标度法中，除了在表1中给出的值外，2、4、6、8也都是可以使用的中间值。在利用1－9的标度法量化过程中，如果指标i不如指标j重要，则取值为1/u，u为1－9。根据表1将所有的指标进行两两比较，构建判断矩阵A:

其中，aij表示指标ai相对于指标aj的权重。

表1 1－9的标度法Table 1 Scalingmethod of 1－9

(2)指标权重计算和一致性检验

层次分析法的指标权重计算问题，可以归纳为判断矩阵的特征向量求解问题，方法如下:计算判断矩阵每行元素乘积Mi:

计算Mi的n次方根¯Wi:

其中n为判断矩阵的阶数。

则 W=［W1，W2，…，Wn］T即为所求的特征向量，

计算判断矩阵的最大特征根λmax:

一致性检验:

其中，n为矩阵的维数。

设第一级指标各指标的权重为Wi，i=1，2，…，n。n为一级指标的个数。则通过以上步骤，就可以确定一级指标的权重向量:

2.3 建立模糊关系矩阵

在指标体系所有的二级评价指标与评语论域V之间进行单因素评估，建立模糊关系矩阵R:

其中，x为所有二级指标的个数，m评语等级个数。矩阵R中的元素rij表示指标域中第i个指标ai对应于评语等级V中第j个等级vj的隶属程度。

对每一个二级指标域Bi来说，它的权重分配为Wij，则可以得到一级评判向量:

则对于每一个一级指标域来A说，它的单因素模糊关系矩阵为:

其中，n为一级指标的个数。

2.4 计算最终评估结果

将权值向量W与一级指标的模糊关系矩阵R经过模糊变换，得到评估结果向量B:

其中，m评语等级个数，bj表示评估对象从整体上看对vj等级模糊子集的隶属度，“◦”为模糊合成算子

将结果向量映射为具体的评估值，得到最终评价结果E:

E值即为卫星话音通信网运行质量综合指数。

3 结语

卫星通信的独有特点促使卫星通信网络已发展成为我国的重要传输网络。作为卫星通信网络管理的重要组成部分，卫星通信网络质量的评估是一个非常关注的问题。文中针对以话音为业务的卫星通信网络，根据网络管理实际运行和管理的需求，提出了一组卫星话音通信网运行质量评估指标体系。本指标体系从网络管理功能的角度出发，确定三个一级指标即网络性能指标、网络维护指标和网络安全指标，再将影响卫星话音通信网运行质量的各个因素归纳到一级指标下，并由上至下进行补充。最后，利用模糊综合评价法完成了对卫星话音通信网运行质量的评估，为卫星话音通信网的管理提供了参考。

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