基于熵權的戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡節(jié)點重要性評價

王 帥， 李 婷， 李 芳

(陸軍工程大學石家莊校區(qū)裝備模擬訓練中心， 河北 石家莊 050003)

戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡是戰(zhàn)場信息傳輸?shù)暮诵闹巍榱吮ＷC戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡的安全性、可靠性，需要重點保護能夠影響網(wǎng)絡性能的關鍵節(jié)點或節(jié)點集合[1]，因此，開展戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡節(jié)點重要性評價對戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡建設具有重要意義。國內(nèi)眾多學者對此進行了相關研究，如：陳勇等[2]通過比較生成樹的數(shù)目來評價圖中任意數(shù)目的2組節(jié)點的相對重要性，但該方法改變了網(wǎng)絡拓撲結構，難以保證評價精度；譚躍進等[3]以網(wǎng)絡凝聚度為依據(jù)，采用節(jié)點收縮方法評估復雜網(wǎng)絡節(jié)點重要度，但該方法適用于大型網(wǎng)絡，當應用于中小型網(wǎng)絡時不能保證評估精度；李爾玉等[4]等提出了一種基于功能鏈的作戰(zhàn)體系復雜網(wǎng)絡節(jié)點重要性評價方法并進行了驗證，但該方法僅適用于鏈狀結構網(wǎng)絡，對于非鏈狀結構網(wǎng)絡并不適用；劉建強等[5]采用節(jié)點疏遠方法評價網(wǎng)絡節(jié)點重要性，但該方法僅適用于突出重要節(jié)點，對于一般節(jié)點并不適用；CALLWAY等[6]根據(jù)節(jié)點的連接度來評價網(wǎng)絡節(jié)點重要性，該方法充分考慮了網(wǎng)絡拓撲結構，但計算過程較為復雜；BARTHELEMY[7]采用介數(shù)方法評價網(wǎng)絡節(jié)點重要性，但該方法改變了網(wǎng)絡拓撲結構，難以保證評價精度。為了保證戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡原始結構不改變，筆者以網(wǎng)絡節(jié)點的通信量統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用熵權法求解出網(wǎng)絡節(jié)點的重要性量化數(shù)據(jù)，為開展戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡節(jié)點重要性評價提供理論支撐。

1 節(jié)點指標選擇及定義

網(wǎng)絡節(jié)點重要性評價可以其占所在網(wǎng)絡的信息量大小為依據(jù)，主要考察其與網(wǎng)絡其他節(jié)點的交互情況。這里選定網(wǎng)絡節(jié)點的IP層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)吞吐量統(tǒng)計結果作為其性能指標，主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送吞吐量、接收吞吐量和轉發(fā)吞吐量。

節(jié)點i的數(shù)據(jù)發(fā)送吞吐量定義為仿真時間內(nèi)節(jié)點i向本節(jié)點之外的所有相關節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包總量，用Si表示，單位為bit。對于n個節(jié)點的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送吞吐量Ns為各個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包量之和，即

節(jié)點i的數(shù)據(jù)接收吞吐量定義為仿真時間內(nèi)節(jié)點i接收到網(wǎng)絡其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包總量，用Ri表示，單位為bit。對于n個節(jié)點的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)接收吞吐量Nr為各個節(jié)點接收數(shù)據(jù)包量之和，即

節(jié)點i的數(shù)據(jù)轉發(fā)吞吐量定義為仿真時間內(nèi)節(jié)點i轉發(fā)其他目的地址的數(shù)據(jù)包總量，與接收吞吐量不同的是，轉發(fā)出去的數(shù)據(jù)包的目的地址不是本節(jié)點地址，用Ti表示，單位為bit。對于n個節(jié)點的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)轉發(fā)吞吐量Nt為各個節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)包量之和，即

2 熵權定義

信息熵表示一個事件或者系統(tǒng)的混亂程度，將信息轉化成可量化的值，用于度量系統(tǒng)有序化程度，信息熵越小，表明系統(tǒng)有序化程度越高。同樣地，對于離散系統(tǒng)，若某個指標的信息熵越小，表明指標值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中所能起到的作用也越大，其權重就越大[8]。

從本質(zhì)上看，熵權法是一種客觀賦權方法，計算過程相對固定。當對某評價對象進行評價時，熵權法評價流程如圖1所示。

設有n個評價對象，每個評價對象有m個評價指標X1,X2,…,Xm，且Xi=(ri1,ri2,…,rin)，i=1,2,…,m，按照熵權法評價流程，可構造評價對象各評價指標的判斷矩陣R，則

對判斷矩陣R進行歸一標準化處理。設對各評價指標X1,X2,…,Xm進行標準化處理后為Y1,Y2,…,Ym，其中Yi=(yi1,yi2,…,yin)，則

(1)

(2)

第i個評價指標的熵權定義為Wi，其表達式為

(3)

通過熵權對n個節(jié)點m個評價指標進行評分，并根據(jù)評分進行綜合排序，設Zj為第j個節(jié)點的最終評分，其表達式為

(4)

3 網(wǎng)絡節(jié)點重要性評價

3.1 戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡節(jié)點性能指標獲取

筆者以旅級戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡為研究對象，仿真粒度到營級節(jié)點，因此所建立的戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡子網(wǎng)有旅指揮所、偵察營、合成營、防空營等，涉及的通信方式包括軍用電臺、干線通信(含有線與微波2種通信方式)和衛(wèi)星通信，網(wǎng)絡仿真工具采用OMNET++軟件，仿真原理為離散事件驅(qū)動原理和分層建模機制。旅指揮所包括旅基本指揮所、預備指揮所、后方指揮所，其中：基本指揮所設置作戰(zhàn)指揮車、無線電接入節(jié)點車、情報處理車3個節(jié)點；預備指揮所設置輕型通用指揮車、無線電接入節(jié)點車2個節(jié)點；后方指揮所設置輕型通用指揮車、無線電接入節(jié)點車2個節(jié)點。干線通信網(wǎng)絡由5輛干線節(jié)點通信車組成；衛(wèi)星通信包括1個中繼衛(wèi)星節(jié)點和2個地面站節(jié)點。此外，偵察營、合成營、防空營各設置1個通用指揮車節(jié)點，整個網(wǎng)絡共計18個通信節(jié)點。旅指控業(yè)務的模擬由指控終端來完成，指控業(yè)務使用UDP(User Datagram Protocol)承載傳輸，指控終端包含指控業(yè)務分發(fā)服務器，可以將指控業(yè)務分發(fā)至預定的指控終端上。仿真中，旅基本指揮所的作戰(zhàn)指揮車、預備指揮所的輕型通用指揮車、后方指揮所的輕型通用指揮車，以及偵察營、合成營、防空營的通用指揮車均配置了指控終端，用于收發(fā)指控信息。需要說明的是，由于中繼衛(wèi)星是由物理層轉發(fā)，不涉及IP層吞吐量，仿真時不作統(tǒng)計。因此，網(wǎng)絡有效節(jié)點數(shù)量為17個，戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡仿真拓撲結構如圖2所示。

在旅級戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡拓撲結構的基礎上，設計通信業(yè)務模型如下：1)與旅基本指揮所的作戰(zhàn)指揮車發(fā)生通信業(yè)務交互的節(jié)點為旅基本指揮所的無線電接入節(jié)點車、情報處理車，預備指揮所的輕型通用指揮車，后方指揮所的輕型通用指揮車以及各營通用指揮車，發(fā)送指控消息頻率間隔為10 s；2)旅預備指揮所的輕型通用指揮車與無線電接入節(jié)點車組成通信子網(wǎng)，后方指揮所的輕型通用指揮車與無線電接入節(jié)點車組成通信子網(wǎng)；3)干線通信節(jié)點數(shù)量為5個，衛(wèi)星地面站中繼通信節(jié)點數(shù)量為2個，均承擔中繼通信業(yè)務；4)各營與旅指揮機構通過電臺或中繼衛(wèi)星完成通信。網(wǎng)絡仿真運行時間為3 600 s，仿真結束后，可得到各通信節(jié)點的IP層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)吞吐量統(tǒng)計結果，并以此構造判斷矩陣，該矩陣共包含17個節(jié)點3個指標，如表1所示。

表1 各通信節(jié)點IP層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)吞吐量統(tǒng)計結果

3.2 網(wǎng)絡節(jié)點熵與熵權計算

按照式(1)將表1所得判斷矩陣進行標準化處理，所得結果如表2所示。

表2 網(wǎng)絡節(jié)點判斷矩陣標準化處理結果

對表2的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，所得結果如表3所示。

利用表3中的數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)可得各評價指標的信息熵，再根據(jù)式(3)即可得出各評價指標的熵權，結果如表4所示。

表3 網(wǎng)絡節(jié)點判斷矩陣歸一化處理結果

表4 各評價指標的信息熵及熵權

3.3 評價結果驗證

筆者[9]曾推導出一種反積型信息熵，其含義是：對于n狀態(tài)的離散系統(tǒng)，若第i個事件的發(fā)生概率為pi，則其信息量表征為1-pi，此時，離散系統(tǒng)的反積型信息熵為

(5)

吳成茂[10]也給出了一種信息熵定義，其表達式為

(6)

為了便于區(qū)分，此處將HN(P)命名為累積型信息熵。

以上2種類型信息熵相關性質(zhì)已經(jīng)通過證明，多數(shù)能夠和香農(nóng)信息熵保持一致，在此不再贅述。筆者采用這2種類型信息熵對前文信息熵及熵權的計算結果進行進一步驗證，其關于熵權的計算均建立在表3基礎之上，根據(jù)式(5)、(6)可計算得出2種類型信息熵對應的各評價指標的信息熵及熵權，如表5所示。

表5 2種類型信息熵對應的各評價指標的信息熵及熵權

結合表2、4、5，由式(4)可進一步計算得出各網(wǎng)絡節(jié)點的重要性評分。3種類型信息熵所得網(wǎng)絡節(jié)點重要性評分及其排序如表6所示，各網(wǎng)絡節(jié)點重要性排序圖如圖3所示。

表6 3種類型信息熵所得網(wǎng)絡節(jié)點重要性評分及其排序

由表6和圖3可以看出：采用網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送吞吐量、接收吞吐量及轉發(fā)吞吐量3個評價指標能夠?qū)W(wǎng)絡節(jié)點重要性進行有效評價，且基于3種類型信息熵的網(wǎng)絡節(jié)點重要性評價結果完全一致，進一步證明了本文評價結果的可信性。從本文評價結果來看，旅基本指揮所的作戰(zhàn)指揮車的重要性最高，旅預備指揮所的輕型通用指揮車和后方指揮所的輕型通用指揮車的重要性次之，該評價結果突出了指揮機構的重要性，與實際情況相符。旅所屬營整體重要性

評分要大于干線節(jié)點通信車，這與節(jié)點車不是唯一的路徑有關。此外，由于經(jīng)過中繼衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)量非常少，因此2個地面站的重要性排序靠后。

4 結論

筆者基于熵權思想，以戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡節(jié)點與所在網(wǎng)絡的信息交互量為測算依據(jù)，以網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送吞吐量、接收吞吐量和轉發(fā)吞吐量為評價指標，對戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡節(jié)點重要性進行了客觀的評價和驗證，有效消除了層次分析法、模糊評價法等評價方法在實施過程中因主觀因素而帶來的影響，證明了本文評價方法有效、可行。但是，筆者在開展戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡節(jié)點重要性評價時，并未充分考慮網(wǎng)絡節(jié)點的交換能力、抗毀能力、運行能力及運行成本、拓撲結構等因素，下一步將建立完善的指標體系，對戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡節(jié)點開展更為全面的評價。