基于加权自然连通度的战术通信网对抗效能评估方法研究

褚家旭 何旭 赵彬

摘要：战术通信网对抗涉及到对抗双方装备水平、通信网络结构、对抗战术运用等多个方面，对其进行定量评估较为困难。本文介绍了战术通信网的构成，给出了一种对战术通信网对抗效果评估的方法，该方法将战术通信网对抗效果评估划分为侦察效果和干扰效果，给出了对战术通信网侦察效能评估的指标体系，提出了一种基于加权自然连通度的战术通信网干扰效能评估方法，最后介绍了战术通信网对抗效果的综合评估方法，并给出了详细的算法步骤和评估实例。

关键词：战术通信网;通信网对抗;自然连通度;评估

中图分类号：TN915.853 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）02-0015-03

0 引言

在地面战役战术作战环境中，超短波战术通信电台广泛应用于师旅级以下作战单位，是各国在军事领域争先研究和发展的重要内容[1]。目前，战术通信网的抗干扰和生存能力受到了前所未有挑战，而战术通信网络对抗效能评估也成为战术通信网建设发展的关键环节。

各国近年来有多型超短波战术通信对抗装备进行了研制和列装，这些装备的作战对象包含了各类超短波战术通信网，其对抗效果评估具有非常重要的意义。由于涉及到双方装备水平、通信网络结构、对抗战术运用等多方面，评估网络对抗效果非常复杂和繁琐。目前在通信链路对抗效果评估方面已经进行了大量的研究工作，但对通信网对抗效果评估方面还研究较少。

1 战术通信网

1.1 概述

战术通信网是指战术兵团、部（分）队在上级编成内独立执行战斗任务时，根据所担负的任务、部署和指挥要求，使用编成内及加强的战术通信装备，采用科学的通信组织形式和方法而建立的信息传输、交换的网络体系[2]。为适应战场作战指挥层级，地面通信电台组网时，一般分为上层战术互联网和下层战术互联网。

上层战术互联网即师战术互联网，主要连接旅级以上的作战指挥单元。该类网络以美军的移动用户设备（MSE）和我军的野战地域网为典型代表，主要采用微波通信、卫星通信等手段[3]。下层战术互联网即旅和旅以下战术互联网，用于连接旅和旅以下作战单元。在战术互联网中，应用系统和通信网络一般通过IP协议互联，提供指挥控制数据交换和态势感知功能，同时提供保密话音通信。下层战术互联网中通常包括末端战术子网以及骨干数据通信网络。

1.2 骨干数据网络

骨干数据网构建于末级战术子网上层，以美军的EPLRS电台、我军的TCR-173电台为典型代表，主要应用于旅营、营连级指挥所节点大量数据传输的应用需求。该级别网络由于需传输的业务数据速率较高，通常工作于UHF工作频段（225MHz-512MHz），通常采用比较多样的组网方式。例如，我军战术互联网中，TCR-173电台采用无线Mesh组网应用方式;美军战术互联网中，NTDR电台网络采用分级分布式组网方式;EPLRS网络采用集中控制式与分布式结合的组网方式。

1.3 末端戰术子网

末端战术子网一般由超短波战术通信电台组成，典型装备包括美军的SINCGARS电台、北约的PR4G电台和我军的TCR171电台等，主要装备于战场前沿营连以下战术作战单位，实现战场前沿的态势感知、侦察信息搜集上报、话音指挥通信等;也可应用与旅营级指挥所，实现指挥所之间的话音指挥通信。为适应复杂多变的地面环境，该类网络通常工作于VHF频段（30-88MHz），主要采用战斗网和无线分组网等应用模式，采用Ad hoc自组织网络协议，以适应战场末级网络环境高动态变化、自组织自恢复的要求[4]。末级子网通常采用的组网方式包括战斗网（CNR）和分组网（PRN）。

战斗网模式主要应用于实时性较强的话音/数据指挥通信，该模式是跳频电台最初的应用模式。该网络模式下，网络通常为任意网模式。网络中所有电台以CSMA等方式竞争占用信道，一旦某个电台竞争得到信道传输资源，则信道为其独享直至其发送结束。同一时刻，网络中仅有一部电台在发送，其他所有电台均处于接收状态，监听发送电台发送的信息。分组网模式主要应用于战场上的非实时系统，采用无线自组织网（Ad Hoc网络）方式。

1.4 典型网络结构

战术通信网一般采用分层的网络架构，每一层都是分布式的自组织网络，底层为战术用户接入网层，主要由超短波通信电台和各种无线终端组成;接入网层之上为骨干网络层，主要依靠宽带无线通信设备形成对作战区域内的有效覆盖，具备大容量骨干传输能力，是战术通信系统中信息传输与交换的公共平台。接入网层与骨干网层之间通过接入节点连接，接入网层用户通过自组织网络，以一跳或多跳的形式接入骨干网层，形成一体化无缝互联网络。目前，各国战术通信网络大都采用Mesh网与Ad-hoc网络的典型组网模式，即采用无线Mesh网构建战术通信的核心网络，覆盖整个作战地域，网络中的用户群组成网络，采用多跳方式接入Mesh核心网层[2]。

当前，战术通信系统的网络结构向着扁平化、分布式、自组织的方向发展，存在着树状网、星状网和网状网等几种基本形态。在实际组网过程中，战术通信网通常根据任务要求和通信装备性能，依据基本形态进行随机组合，没有固定的组网模式。比如，部队应用非常广泛的网状网和复合网等形式，图1给出了某任务中采用的五节点网状网结构。

2 战术通信网对抗效果评估方法

对战术通信网对抗效果进行评估时，可由侦察效果和干扰效果两个方面来进行。

2.1 战术通信网侦察效果评估

在进行侦察效果评估时时，可由被试装备在规定时间内获取目标通信网频率集、跳速等参数的概率以及目标通信网拓扑结构、编码方式、帧结构、信息提取等方面来进行评判。

战术通信网侦察效果评估指标体系如图2所示。

其中“”、“”代表下层指标向上层指标聚合的方式。“”代表下层指标以“或”的方式向上层指标聚合;“”代表下层指标以“与”的方式向上层指标聚合。在实施过程中，可以根据任务需要，采用专家打分法、实际测试等来确定各指标权重，从而计算得到对战术通信网的侦察效果的评估值。

2.2 战术通信网干扰效果评估

进行干扰效果评估时，可由战术通信网在被攻击前后通信网性能的变化来进行，需要结合战术通信网的功能与性能，选择相应的网络性能指标进行描述，并进行指标的量化处理。对战术通信网干扰效果进行评估时，可以选择的指标非常多，按照不同网络层次可分为物理层、链路层、网络层、应用层等层级，如干扰前后的节点及网络吞吐量、延时、阻塞概率和截获数据量等指标，还需考虑网络的生存性即表示在随机破坏作用下，能保持网络连通的概率等，如图3所示。

这些指标能够反应战术通信网对抗效果，但完全采用上述指标对通信网进行对抗试验的话，其测试工作量大，部分指标难以准确测试。从通信干扰装备的现状来看，目前对战术通信网多采用压制干扰，部分单位提出了针对通信网同步信号的干扰技术其本质也是一种压制干扰。在对通信网实施干扰时，干扰设备可能压制部分通信链路，并影响部分通信链路的可靠性，因此本文对战术通信网自然连通度进行加权，综合衡量其可靠性和抗毁性来评定战术通信网干扰效果。

2.2.1 可靠性与抗毁性

通信网的可靠性是指在人为或自然的破坏作用下，在规定条件下和规定时间内传输网络通信业务的能力;通信网的抗毁性是其拓扑结构可靠性的度量参数，用于衡量在不考虑网络节点和链路的可靠度，网络中的节点（或链路）发生自然失效或遭受有意干扰的情况下，通信网保持连通的能力。以图4所示的四节点的网状网和星形网两种网络结构为例，假定通信望中节点全部可靠，链路不可靠，其中a）图任意相邻节点的链路可靠度全部为0.4;b）图任意相邻节点的链路可靠度全部为0.7。

（1）可靠性分析。为简化计算，这里只计算C、D两节点的可靠性。a图中可能的途径为C-D、C-B-D和C-A-D，则C、D两节点连通的概率为：，同理b图中C、D的连通概率为。

（2）抗毁性分析。定义抗毁性为破坏两节点连通所需最小去掉的边数，可看出a图中破坏CD两点连通至少去掉的边数为3，而b图中破坏CD两点连通至少去掉的边数为1。即，。

从以上结果可以看出，a图的抗毁性较好，且可靠性稍好于b图。

通信网的可靠性给出了在干扰或破坏情况下的网络性能，描述了随机性破坏以及网络拓扑结构对通信网性能的影响;抗毁性描述了在人为破坏作用下的网络可靠性，它假定“破坏者具有关于网络结构的全部或部分资料，并采用一定的破坏策略”。对于一个通讯网，网络的抗毁性表明至少需要破坏几个节点或几条链路才能中断部分节点之间的通信，即破坏一个通讯网的困难程度，它是基于图论的概念中提出来的，从网络连通性的角度描述了网络拓扑结构对通讯网性能的影响。

2.2.2 战术通信网的自然连通度

国防科技大学吴俊等在文献[5]中给出了网络的“自然连通度”的概念，并采用自然连通度对通信网抗毁性进行了分析，这里进行简单介绍。

将战术通信网简化為由节点和链路构成的图，其中是一个无向的连通图，表示节点与链路交替出现所组成的网络，其任意节点战术通信网可使用其邻接矩阵表示，若图中任意相邻两节点、间存在直达通信链路，则，否则。定义图中节点和链路交替出现的序列为途径，为路径长度，称起始节点与终止节点相同的途径为闭途径。从例子可以看出抗毁性与相同起止节点间替代途径的多少成正相关，度量通信网抗毁性可对通信网中全部节点对之间任意长度为的途径数量求和：

（1）

公式（1）计算量和难度较大，难以直接应用，故采用对通信网中闭途径数量并进行加权的方法来衡量通信网替代路径的冗余性：

（2）

式中，为通信网中长度为的闭途径数量，计算时允许节点和路径重复。

修正系数的选取主要是考虑到越长的途径被重复计算的次数越多，且对网络抗毁性的贡献越小，并保证算式收敛的需要。文献[3]证明了：                              （3）

式中，为战术通信网邻接矩阵的特征根，计算时允许节点和路径重复。

图的自然连通度定义为：   （4）

自然连通度关于添加边或移除边是严格单调的，这意味着自然连通度能够描述通信网抗毁性的细微差别，得到的结果与直观判断相符。

2.2.3 基于加权自然连通度的战术通信网干扰效果评估

采用自然连通度来评估战术通信网抗毁性时，仅考虑了通信链路受到完全压制或物理摧毁的情况。实际上，干扰设备在对通信网实施干扰时，部分通信链路可能存在未完全压制、连通概率下降的情况，也就是影响了部分通信链路可靠性，考虑到这种情况，可以将链路的连通概率以权重的形式引入通信网对应的邻接矩阵，并计算加权后的自然连通度。可以看出，加权自然连通度综合反应了通信网的抗毁性和可靠性，对通信网的干扰效果可采用干扰前后的加权自然连通度变化来衡量。

图的邻接矩阵为：         （5）

各链路连通概率所对应的权值矩阵定义为：

（6）

加权后的邻接矩阵定义为：

（7）

加权自然连通度可参照公式（4）计算获得。

则对通信网干扰效果的评估值的计算公式为：

（8）

2.3 战术通信网对抗效果的综合评估

对战术通信网对抗效果进行评估时，可由侦察效果和干扰效果两个方面来进行。以某型装备对战术通信网的典型对抗任务来看，对通信网侦察任务具有更重要的意义。首先是侦察能力直接影响干扰结果，在无侦察结果的情况下不能实施干扰;另一方面，若干扰设备故障不能实施干扰，侦察结果仍具有引导友方火力打击的重要意义。故本文定义战术通信网对抗效果的综合评估值为：

（9）

式中，為战术通信网对抗效果的综合评估值;

为3.1节介绍的战术通信网侦察效果评估值，考虑到干扰设备在不能进行侦察的情况下不能实施干扰，故将值加权至干扰效果评估值中;

为3.2.3节介绍的干扰效果评估值;

和分别为和的权重，可根据承担任务的需要确定，且，本文分别取0.7和0.3。

可以看出，综合评估值取值范围为0～100%，该数值可以定量评估战术通信网对抗效果，可根据作战使用需求和试验的实际情况定义战术通信网对抗效果等级及对应分值，本文划定的对战术通信网对抗效果评估等级如表1所示。

2.4 评估实例

以某型装备对通信网干扰结果为例进行评估，分层次对底层指标进行聚合，得到侦察效果评估分值为0.4，如图5所示。

将干扰试验前后的链路连通概率代入公式（5）～公式（9），计算得干扰效果评估分值，战术通信网对抗效果的综合评估值。根据战术通信网对抗效果等级划分的定义，可对该型装备对战术通信网对抗效果做出“中等”的评价。

3 结语

战术通信网通信效能相关评估指标较多，评估方法复杂，且存在部分指标难以测试的实际难题，本文从实际应用的角度出发，提出了一种简单易行的综合评估方法。根据作战任务的实际需求，文中部分参数取值可进行适当调整。

参考文献

[1] 于全.战术通信理论与技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 赵志法等.现代战术通信系统概论[M].北京：国防工业出版社，1998.

[3] 刘万洪.地域通信网对抗方法探讨[J].无线电工程，2001（z1）：114-116.

[4] 王猛，孟晓波，陈伟.美军战术通信网络发展简介.电子对抗[J]，2007（3）：45-46.

[5] 吴俊.基于自然连通度的复杂网络抗毁性分析[J].复杂系统与复杂性科学，2014，11（1）：77-86.

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