海战场平流层通信效能评估研究*

门昱冰 郑剑云 刘 丹

（1.海军大连舰艇学院信息系统系 大连 116018）（2.中国人民解放军31401部队 大连 116041）

1 引言

目前我国周边海域局势日趋复杂，我海上编队活动也更加频繁。依据现有的通信手段，舰艇编队远程通信大多依靠短波通信和卫星通信，然而这两种通信手段有一定的局限性。短波通信中电离层的状态很不稳定，因而会导致通信过程受到影响甚至中断。而我军用卫星资源有限，覆盖范围也仅仅在我国周边海域，所以当舰艇编队执行远海战斗任务时，只能用点资源保障，卫星通信保障能力薄弱，可能有时无法满足我舰艇编队远程通信的需要。

平流层通信作为一种新型通信手段，可以很好地弥补短波通信和卫星通信的短板，增强我舰艇编队在远海海域执行战斗任务时的通信保障能力。平流层通信高度通常在距海面17km～22km处，可以用飞艇、气球或无人机作为通讯和转发的平台［1～3］。与短波通信系统相比，平流层通信系统通信更加稳定，不会受电离层电子密度变化的影响，同时通信容量也更大。与传统的卫星通信系统相比，平流层通信系统离地面更近、时延也更小，价格便宜，平台搭建灵活，回收也更加方便快捷［4～5］。

目前尚未有针对平流层通信效能进行评估的相关研究，因此平流层通信系统在通信时的效果尚未可知。效能评估是评价一种通信手段的重要方式，基于现有的平流层通信系统理论基础，通过数据仿真模拟构建平流层通信系统，可以对平流层通信系统有更充分的认知，准确有效地对平流层通信系统进行评估，更加直观地比较平流层通信与其他通信手段的区别，并对增加未来舰艇编队远程通信手段和填补其他通信手段的劣势具有非常重要而深远的意义。

平流层通信作为一种无线通信手段，它的效能评估方法可以参考无线通信系统效能评估［6］。目前，常用的效能评估手段有层次分析法、模糊综合评估法、灰色白化权函数法、因子分析法、环比系数法、熵权法、极差最大化法等。比对各种效能评估方法可知：层次分析法有效地将定量和定性结合在一起分析，原理简单，便于计算指标权重；灰色系统理论用于描述一个信息模糊的系统，从已知信息中提取有用信息，可以准确地完成指标量化建立评估矩阵。灰色层次分析法将灰色系统理论和层次分析法的优点结合在一起，运用灰色系统理论中区间灰数的白化处理，解决了传统层次分析法中只寻求方法而忽略了系统复杂性的问题，更加符合系统的客观实际［7］。在文献［8～10］中使用灰色层次分析法分别评估了无线通信系统效能、机动通信系统效能、卫星通信系统效能，从中可以发现灰色层析分析法可以准确有效地对无线通信系统进行效能评估。平流层通信系统评估指标较为复杂且部分指标具有不确定性，因此非常适宜采用灰色层次分析法进行通信效能评估。本文中按照灰色系统理论先将平流层通信系统的各指标划分层次，构建平流层通信效能分析模型，通过计算不同层次的权重值，最后运用层次分析法进行效能评估。

2 评估指标体系

2.1 指标体系建立

平流层通信效能评估的第一步是建立一个合适的效能评估指标体系。平流层通信在海战场环境下需要保障舰艇编队的通信顺畅，因此将平流层通信系统的通信能力作为效能评估目标。通过对平流层通信进行分析并参考类似通信系统的评估指标体系［11］，从性能指标方面分析并得到了9个影响平流层通信系统通信能力的指标元素，如图1所示，分别为通信质量、通信容量、通信速率、通信时延、通信业务、抗干扰能力、通信覆盖范围、通信生存能力和通信组网能力。

2.2 指标体系分析

组织专家对平流层通信效能评估指标进行打分。由于复杂影响因素和模糊主观判断，其中专家对于部分效能评估指标很难保证一致评判，因此需要进一步对效能评估指标进行量化处理。将评估指标分为9个标度进行量化，按照1、3、5、7、9的标度对应同样重要、稍微重要、比较重要、十分重要、绝对重要，介于两个等级之间取中间值。专家根据评估指标对应标度进行量化打分，提高了评判的准确性和一致性。

3 评估模型的建立及算法分析

3.1 指标权重计算

对于效能评估指标体系中的指标进行两两比对，按照 1～9 的标度［12］量化评判，形成判断矩阵A=(aij)n×n，其中n为评估指标个数。关于如何确定aij的值，Saaty等［13］提出了一个引入1～9和它们的倒数作为标度的方法，1～9标度的含义如表1所示。

首先求出判断矩阵A的特征向量W和特征根λmax。

为了保证指标权重的可靠性，需要对判断矩阵进行一致性检验，具体步骤如下［14～16］：

1）计算一致性指标CI。

2）根据给定的表格得出平均随机一致性指标RI。对于n=1，2，…，9，RI的值如表2所示。

表2 平均随机一致性指标RI

3）计算一致性比例CR。

3.2 确定评估样本矩阵

假设有k个专家对指标参数按照评估标准进行评估打分，所有得分dik组成评估样本矩阵D，其中i∈[1，n] ：

3.3 确定评估灰类

通过分析设定4个评分标准等级（优、良、中、差），根据评分等级标准，设置4个评估灰类，其白化权函数如下［17～18］。

1）第一类灰类表示“优”(e=1)，白化权函数f1(dik)为

对应的函数图如图2所示。

图2 第一类“优”的白化权函数图

2）第二类灰类表示“良”(e=2)，白化权函数f2(dik)为

对应的函数图如图3所示。

图3 第二类“良”的白化权函数图

3）第三类灰类表示“中”(e=3)，白化权函数f3(dik)为

对应的函数图如图4所示。

图4 第三类“中”的白化权函数图

4）第四类灰类表示“差”(e=4)，白化权函数f4(dik)为

对应的函数图如图5所示。

图5 第四类“差”的白化权函数图

3.4 计算灰度评估矩阵

计算评估指标第e个灰类的评估系数Hie，总体灰色评估系数Hi，灰色评估权rie，可以得到指标对应的灰色评估权向量ri=(ri1，ri2，ri3，ri4)，公式如下：

灰色评估权矩阵R由灰色评估权向量ri构成：

3.5 灰色综合评估

通过上文中判断矩阵的特征向量W和灰色评估权矩阵R，计算综合效能评估向量P，根据建立的评价集来判断系统效能。分值向量M=(9，7，5，3)T与灰色评估等级相对应，最终计算出平流层通信系统效能评估综合值E。

4 灰色层析分析实例

以某海域舰艇编队远程通信保障任务为背景，由于海战场环境的特殊性，舰艇编队在海上通信中可能会面临一些问题。海上气候条件具有不确定性，通信环境恶劣；舰艇在航行过程中需要通信保障距离远，通信覆盖范围大；保障的周期较长，需要有较强的保障的持续性能力；海上通信只能依靠无线通信手段，可用通信资源较少。

4.1 指标权重计算

以3.1节中的图1平流层通信系统效能评估指标体系为参考，确定每个指标的重要性。经过查阅相关资料和咨询有关专家后，对评估指标进行两两比对。海战场中平流层通信首先要保证通信双方在复杂电磁环境下可以保持良好的通信状态，因此通信质量和通信速率处于非常重要的位置；在海战场环境下除自然干扰外，敌方对于我方通信会进行人为干扰，因此通信业务和抗干扰能力也比较重要；通信容量和通信时延可以衡量通信的传输能力和时效性，因此相对重要。通信覆盖能力、通信生存能力和通信组网能力对于评价平流层通信也有一定作用，设置较小的权重。上述各评估指标的重要性如表3所示。

表3 平流层通信效能评估指标重要性表

按照表3的顺序将上述评估指标量化评判可以得到相应的判断矩阵：

运用式（1）计算得到判断矩阵A的特征向量W。经过计算检验，矩阵满足一致性要求。

4.2 确定评估样本矩阵

假设某海域舰艇编队远程通信保障任务中，编队包含15艘舰艇，每艘舰艇含一架舰载直升机，另有一架预警机。舰艇之间需要进行通信，舰艇与直升机、舰艇与预警机也需要进行通信。通过收集平流层通信的仿真参数设定，得到平流层效能评估相关参数指标，如表4所示。

表4 平流层通信效能评估指标参数表

根据任务要求，随机生成一个具有31个节点的通信网络，其网络连接图如图6所示，由此可计算表4中的连通度。

图6 网络连接图

假设此次评估设有5位专家，专家根据表4中的评估指标参数对各个指标按照0～10分的打分范围进行打分，可以得到指标评价矩阵D。

4.3 计算评估权矩阵

以指标“通信质量”为例，各灰度的评估系数为

指标“通信质量”的总灰色评估系数为

灰色评估权向量为

将其余评估指标的灰类向量依次求出，最终得到评估权矩阵R。

4.4 灰度综合评估

计算综合效能评估向量P：

综合评估值为

通过计算并结合表5中相关数据，可以判定此案例中平流层通信系统效能评估为“良”。

表5 评分等级标准

4.5 评估结果分析

现代海战是复杂电磁环境下的信息作战，面对战场电磁环境恶劣、通信保障范围广、信息传输质量要求高、通信容量大等特点，平流层通信的系统效能评估为“良”，可以有力保障舰艇编队执行海上作战任务。

在本实例中，通过对指标参数和评估过程进行分析，发现通信容量和通信速率的实际值都小于理论值，而通信时延大于理论值，所以在实际作战过程中，利用平流层通信时应多考虑海战场中的自然和人为电磁干扰因素。在对平流层通信效能评估结果进行分析时发现，选取平流层通信评估指标体系和确定权重都会影响平流层通信效能评估结果。因此，在实际作战当中，应该根据作战任务和作战环境的特点，选择合适的指标体系和确定权重，可以更好地对平流层通信进行效能评估，为战场通信指挥决策提供有力支撑。

不同的评估权重导致评估结果不同，传统层次分析法与灰色层次分析法评估结果对比如图7所示。传统层次分析因为没有考虑专家评分的随机性，最终评估效能偏好，与系统实际效能不符。

图7 结果对比图

5 结语

海战场平流层通信作为一种新型的海上通信手段，对其通信效能评估进行研究具有十分重要的意义。本文利用灰色层次分析法对平流层通信系统进行效能评估，可以有效解决平流层通信系统效能评估指标复杂、评估方法繁杂、信息不完整等问题。根据平流层通信系统的通信指标要素，构建了平流层通信系统效能评估指标体系，运用层次分析法和灰色系统理论，确定了评估矩阵的向量元素，建立了平流层通信效能评估模型，实现了对平流层通信效能的定量评估。结合案例分析可知，利用灰色层次分析法对平流层通信系统进行效能评估，评估结果与实际预期相符，验证了利用平流层通信手段保障海战场通信任务的可行性。