基于熵权的战场通信网络节点重要性评价

王 帅， 李 婷， 李 芳

(陆军工程大学石家庄校区装备模拟训练中心， 河北 石家庄 050003)

战场通信网络是战场信息传输的核心支撑。为了保证战场通信网络的安全性、可靠性，需要重点保护能够影响网络性能的关键节点或节点集合[1]，因此，开展战场通信网络节点重要性评价对战场通信网络建设具有重要意义。国内众多学者对此进行了相关研究，如：陈勇等[2]通过比较生成树的数目来评价图中任意数目的2组节点的相对重要性，但该方法改变了网络拓扑结构，难以保证评价精度；谭跃进等[3]以网络凝聚度为依据，采用节点收缩方法评估复杂网络节点重要度，但该方法适用于大型网络，当应用于中小型网络时不能保证评估精度；李尔玉等[4]等提出了一种基于功能链的作战体系复杂网络节点重要性评价方法并进行了验证，但该方法仅适用于链状结构网络，对于非链状结构网络并不适用；刘建强等[5]采用节点疏远方法评价网络节点重要性，但该方法仅适用于突出重要节点，对于一般节点并不适用；CALLWAY等[6]根据节点的连接度来评价网络节点重要性，该方法充分考虑了网络拓扑结构，但计算过程较为复杂；BARTHELEMY[7]采用介数方法评价网络节点重要性，但该方法改变了网络拓扑结构，难以保证评价精度。为了保证战场通信网络原始结构不改变，笔者以网络节点的通信量统计数据为依据，采用熵权法求解出网络节点的重要性量化数据，为开展战场通信网络节点重要性评价提供理论支撑。

1 节点指标选择及定义

网络节点重要性评价可以其占所在网络的信息量大小为依据，主要考察其与网络其他节点的交互情况。这里选定网络节点的IP层网络数据吞吐量统计结果作为其性能指标，主要包括数据发送吞吐量、接收吞吐量和转发吞吐量。

节点i的数据发送吞吐量定义为仿真时间内节点i向本节点之外的所有相关节点发送的数据包总量，用Si表示，单位为bit。对于n个节点的网络，网络节点数据发送吞吐量Ns为各个节点发送数据包量之和，即

节点i的数据接收吞吐量定义为仿真时间内节点i接收到网络其他节点发送的数据包总量，用Ri表示，单位为bit。对于n个节点的网络，网络节点数据接收吞吐量Nr为各个节点接收数据包量之和，即

节点i的数据转发吞吐量定义为仿真时间内节点i转发其他目的地址的数据包总量，与接收吞吐量不同的是，转发出去的数据包的目的地址不是本节点地址，用Ti表示，单位为bit。对于n个节点的网络，网络节点数据转发吞吐量Nt为各个节点转发数据包量之和，即

2 熵权定义

信息熵表示一个事件或者系统的混乱程度，将信息转化成可量化的值，用于度量系统有序化程度，信息熵越小，表明系统有序化程度越高。同样地，对于离散系统，若某个指标的信息熵越小，表明指标值的变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重就越大[8]。

从本质上看，熵权法是一种客观赋权方法，计算过程相对固定。当对某评价对象进行评价时，熵权法评价流程如图1所示。

设有n个评价对象，每个评价对象有m个评价指标X1,X2,…,Xm，且Xi=(ri1,ri2,…,rin)，i=1,2,…,m，按照熵权法评价流程，可构造评价对象各评价指标的判断矩阵R，则

对判断矩阵R进行归一标准化处理。设对各评价指标X1,X2,…,Xm进行标准化处理后为Y1,Y2,…,Ym，其中Yi=(yi1,yi2,…,yin)，则

(1)

(2)

第i个评价指标的熵权定义为Wi，其表达式为

(3)

通过熵权对n个节点m个评价指标进行评分，并根据评分进行综合排序，设Zj为第j个节点的最终评分，其表达式为

(4)

3 网络节点重要性评价

3.1 战场通信网络节点性能指标获取

笔者以旅级战场通信网络为研究对象，仿真粒度到营级节点，因此所建立的战场通信网络子网有旅指挥所、侦察营、合成营、防空营等，涉及的通信方式包括军用电台、干线通信(含有线与微波2种通信方式)和卫星通信，网络仿真工具采用OMNET++软件，仿真原理为离散事件驱动原理和分层建模机制。旅指挥所包括旅基本指挥所、预备指挥所、后方指挥所，其中：基本指挥所设置作战指挥车、无线电接入节点车、情报处理车3个节点；预备指挥所设置轻型通用指挥车、无线电接入节点车2个节点；后方指挥所设置轻型通用指挥车、无线电接入节点车2个节点。干线通信网络由5辆干线节点通信车组成；卫星通信包括1个中继卫星节点和2个地面站节点。此外，侦察营、合成营、防空营各设置1个通用指挥车节点，整个网络共计18个通信节点。旅指控业务的模拟由指控终端来完成，指控业务使用UDP(User Datagram Protocol)承载传输，指控终端包含指控业务分发服务器，可以将指控业务分发至预定的指控终端上。仿真中，旅基本指挥所的作战指挥车、预备指挥所的轻型通用指挥车、后方指挥所的轻型通用指挥车，以及侦察营、合成营、防空营的通用指挥车均配置了指控终端，用于收发指控信息。需要说明的是，由于中继卫星是由物理层转发，不涉及IP层吞吐量，仿真时不作统计。因此，网络有效节点数量为17个，战场通信网络仿真拓扑结构如图2所示。

在旅级战场通信网络拓扑结构的基础上，设计通信业务模型如下：1)与旅基本指挥所的作战指挥车发生通信业务交互的节点为旅基本指挥所的无线电接入节点车、情报处理车，预备指挥所的轻型通用指挥车，后方指挥所的轻型通用指挥车以及各营通用指挥车，发送指控消息频率间隔为10 s；2)旅预备指挥所的轻型通用指挥车与无线电接入节点车组成通信子网，后方指挥所的轻型通用指挥车与无线电接入节点车组成通信子网；3)干线通信节点数量为5个，卫星地面站中继通信节点数量为2个，均承担中继通信业务；4)各营与旅指挥机构通过电台或中继卫星完成通信。网络仿真运行时间为3 600 s，仿真结束后，可得到各通信节点的IP层网络数据收发吞吐量统计结果，并以此构造判断矩阵，该矩阵共包含17个节点3个指标，如表1所示。

表1 各通信节点IP层网络数据收发吞吐量统计结果

3.2 网络节点熵与熵权计算

按照式(1)将表1所得判断矩阵进行标准化处理，所得结果如表2所示。

表2 网络节点判断矩阵标准化处理结果

对表2的数据进行归一化处理，所得结果如表3所示。

利用表3中的数据，根据式(2)可得各评价指标的信息熵，再根据式(3)即可得出各评价指标的熵权，结果如表4所示。

表3 网络节点判断矩阵归一化处理结果

表4 各评价指标的信息熵及熵权

3.3 评价结果验证

笔者[9]曾推导出一种反积型信息熵，其含义是：对于n状态的离散系统，若第i个事件的发生概率为pi，则其信息量表征为1-pi，此时，离散系统的反积型信息熵为

(5)

吴成茂[10]也给出了一种信息熵定义，其表达式为

(6)

为了便于区分，此处将HN(P)命名为累积型信息熵。

以上2种类型信息熵相关性质已经通过证明，多数能够和香农信息熵保持一致，在此不再赘述。笔者采用这2种类型信息熵对前文信息熵及熵权的计算结果进行进一步验证，其关于熵权的计算均建立在表3基础之上，根据式(5)、(6)可计算得出2种类型信息熵对应的各评价指标的信息熵及熵权，如表5所示。

表5 2种类型信息熵对应的各评价指标的信息熵及熵权

结合表2、4、5，由式(4)可进一步计算得出各网络节点的重要性评分。3种类型信息熵所得网络节点重要性评分及其排序如表6所示，各网络节点重要性排序图如图3所示。

表6 3种类型信息熵所得网络节点重要性评分及其排序

由表6和图3可以看出：采用网络节点的数据发送吞吐量、接收吞吐量及转发吞吐量3个评价指标能够对网络节点重要性进行有效评价，且基于3种类型信息熵的网络节点重要性评价结果完全一致，进一步证明了本文评价结果的可信性。从本文评价结果来看，旅基本指挥所的作战指挥车的重要性最高，旅预备指挥所的轻型通用指挥车和后方指挥所的轻型通用指挥车的重要性次之，该评价结果突出了指挥机构的重要性，与实际情况相符。旅所属营整体重要性

评分要大于干线节点通信车，这与节点车不是唯一的路径有关。此外，由于经过中继卫星通信的数据量非常少，因此2个地面站的重要性排序靠后。

4 结论

笔者基于熵权思想，以战场通信网络节点与所在网络的信息交互量为测算依据，以网络节点的数据发送吞吐量、接收吞吐量和转发吞吐量为评价指标，对战场通信网络节点重要性进行了客观的评价和验证，有效消除了层次分析法、模糊评价法等评价方法在实施过程中因主观因素而带来的影响，证明了本文评价方法有效、可行。但是，笔者在开展战场通信网络节点重要性评价时，并未充分考虑网络节点的交换能力、抗毁能力、运行能力及运行成本、拓扑结构等因素，下一步将建立完善的指标体系，对战场通信网络节点开展更为全面的评价。