一種網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)數(shù)據(jù)傳輸效率度量方法

肖 鵬，王 巖，于海霞

（空軍航空大學(xué) 航空作戰(zhàn)勤務(wù)學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)（Network Centric Warfare，NCW）是由平臺(tái)中心戰(zhàn)逐步發(fā)展而來的綜合一體化打擊系統(tǒng)，并集成了全局信息網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和投射器網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)海軍研究生院的Phillip E.Pace教授對(duì)NCW的定義為：在現(xiàn)有傳感器信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平條件下，將分散的決策制定人員、武器系統(tǒng)、態(tài)勢(shì)與瞄準(zhǔn)傳感器和部隊(duì)廣泛地集結(jié)在一起，使之成為一個(gè)高度自適應(yīng)的綜合軍事行為系統(tǒng)，以獲得前所未有的作戰(zhàn)效能。［1］

NCW并不是簡(jiǎn)單地將若干種類型的傳感器人為地拼接到一起，其為了追求作戰(zhàn)效能的最大化，在根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)和環(huán)境因素等綜合作戰(zhàn)需求的前提下，如何最大限度地發(fā)揮每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的效能才是NCW的核心所在。［2?3］如果讓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)肆意擴(kuò)大，不僅會(huì)給網(wǎng)絡(luò)信息態(tài)勢(shì)共享帶來困難，還會(huì)打破節(jié)點(diǎn)間協(xié)同處理的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)整個(gè)NCW來說是災(zāi)難性的。為了體現(xiàn)這種作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)和縝密的戰(zhàn)斗序列部署能力，從圖1著手對(duì)NCW的工作流程進(jìn)行分析。

傳感器網(wǎng)絡(luò)在空間探測(cè)到目標(biāo)后將態(tài)勢(shì)信息共享到?jīng)Q策和投射器節(jié)點(diǎn)，決策系統(tǒng)在整個(gè)NCW中占有最高優(yōu)先權(quán)［4］，負(fù)責(zé)NCW的任務(wù)規(guī)劃和資源調(diào)度。決策系統(tǒng)控制投射網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤定位，并根據(jù)目標(biāo)的移動(dòng)軌跡及投射器的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)對(duì)傳感器共享的態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行修正，最終將毀傷效果通過傳感器網(wǎng)絡(luò)反饋到?jīng)Q策中心。

通過對(duì)典型NCW系統(tǒng)工作流程的描述發(fā)現(xiàn)，這種定量的描述語言過于籠統(tǒng)，很難對(duì)NCW系統(tǒng)有一個(gè)深入分析的切入點(diǎn)。利用接下來的數(shù)學(xué)模型，可以全面剖析NCW網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

圖1 典型NCW系統(tǒng)組成及工作流程

1 廣義連接性量度

在以多傳感器和武器為平臺(tái)的作戰(zhàn)體系架構(gòu)中，一個(gè)與時(shí)間t相關(guān)聯(lián)的廣義連接性量度CM被定義為［5］

其中，NT表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；Nμ是連接到節(jié)點(diǎn)μ的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)目；Nμ，ν表示連接節(jié)點(diǎn)μ和γ的所有可能路徑的數(shù)量總和；是節(jié)點(diǎn)的能力值，根據(jù)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袚?dān)負(fù)的任務(wù)不同，Kμ(t)值也不盡相同；是連接節(jié)點(diǎn)μ和ν的路線γ的信息流參數(shù)，是路徑長(zhǎng)度d和時(shí)間t的函數(shù)。

為了簡(jiǎn)化與路徑d以及時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系，將分為時(shí)間無關(guān)量Lμ，ν和時(shí)間相關(guān)量(t)，且(t)正比于d的ξ次冪。于是式（1）可以簡(jiǎn)化為

若再考慮一種理想的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)：假設(shè)Kμ(t)是時(shí)間無關(guān)的，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)要么是相連的，要么是不相連的（或?yàn)?）；對(duì)所有路徑d，標(biāo)度量指數(shù)ξ＝1，時(shí)間無關(guān)信息流量參數(shù)Lμ，ν＝1。則式（2）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

由式（3）可以歸納出：連接性與時(shí)間無關(guān)，即Kμ(t)＝Kμ和其任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)要么是相連的，要么是不相連的。

2 參考連接性量度

參考連接性量度被定義為一個(gè)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)全部雙向互聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力值Kμ＝1，參考連接性量度只與節(jié)點(diǎn)總數(shù)相關(guān)：

由此可以看出，對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參考網(wǎng)絡(luò)具有最高的連接性量度。

3 網(wǎng)絡(luò)覆蓋率

當(dāng)用對(duì)式（3）進(jìn)行歸一化處理時(shí)，就得到了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率IR的定義：

利用參考網(wǎng)絡(luò)歸一化可以研究網(wǎng)絡(luò)連接、不同節(jié)點(diǎn)（連接）的變化程度。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或遭到網(wǎng)絡(luò)電子攻擊時(shí)，IR可以全面統(tǒng)計(jì)分析這種不利因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成的破壞效果，從而在確保NCW不丟失基本作戰(zhàn)效能的前提下，使整體作戰(zhàn)效能最大化，并為指揮人員謀劃新的作戰(zhàn)策略提供支撐。

4 擴(kuò)展廣義連接性量度

當(dāng)某條路徑上一個(gè)被橫穿節(jié)點(diǎn)的能力值較低時(shí)，此路徑將很難維持全面的傳感器信息交互能力。這不僅嚴(yán)重阻礙了該條路徑上所有節(jié)點(diǎn)效能的發(fā)揮，還成為制約整個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)信息暢通交互的隱性因素。為了徹底排除這種潛在的不利因素，現(xiàn)將關(guān)于連接性量度的定義擴(kuò)展如下：

其中，Kγ表示路徑γ的最低能力權(quán)值Kμ，且Kγ值的選取僅考慮開始節(jié)點(diǎn)與交換節(jié)點(diǎn)，這是因?yàn)樵S多軍事網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)只接收數(shù)據(jù)，而在發(fā)射時(shí)無等效的信息處理能力。

5 網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)聯(lián)合打擊場(chǎng)景模擬

考慮一種場(chǎng)景設(shè)置：從“查菲”號(hào)驅(qū)逐艦（能力值K＝1.0）發(fā)射一枚“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈，以摧毀某個(gè)恐怖組織的武器系統(tǒng)，如圖2所示。為追蹤得到摧毀效果報(bào)告，一架“捕食者”無人機(jī)緊跟著“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈。為了提供情報(bào)、監(jiān)視和偵察能力，還使用了一架“全球鷹”無人機(jī)（K＝0.8）。“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈的能力值假定為K＝0.3，這是出于其有限的連接性和信號(hào)路由變更的選擇（它到“全球鷹”是單向連接），“捕食者”也只有有限的信號(hào)路由變更能力，并假定能力值K＝0.5?？紤]到每條連接有一個(gè)流通量，其值要么是1，要么是0。

圖2 NCW作戰(zhàn)場(chǎng)景模擬

為了定量分析此次打擊行動(dòng)的NCW作戰(zhàn)效能，結(jié)合上述分析指標(biāo)并利用MATLAB構(gòu)建了圖3所示的系統(tǒng)仿真鏈路圖，其中細(xì)線代表NCW系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系，粗線代表NCW即將攻擊的目標(biāo)鏈路。最終計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1中，CM＝10.3333，IR＝0.32。表1分析了圖3中每條可能存在的鏈路的連接情況，并指出了每條鏈路的貢獻(xiàn)值和瓶頸節(jié)點(diǎn)，其中第3、12、23、26、27、30號(hào)鏈路對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)值最低（同為0.1），且這幾條鏈路的瓶頸節(jié)點(diǎn)同為4號(hào)節(jié)點(diǎn)（“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈的能力值假定為K＝0.3），這與場(chǎng)景建立過程中的預(yù)設(shè)條件吻合，說明了這種度量方法的準(zhǔn)確性和可行性。為了更全面地分析度量方法的可行性，在下面的場(chǎng)景模擬中，假設(shè)將“捕食者”無人機(jī)從NCW系統(tǒng)中去除掉，則構(gòu)建的仿真鏈路模型如圖4所示，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3 系統(tǒng)仿真鏈路圖

表1 擴(kuò)展連接性量度計(jì)算結(jié)果

圖4 去除“捕食者”無人機(jī)后的仿真鏈路圖

表2 去除“捕食者”無人機(jī)的擴(kuò)展連接性量度計(jì)算結(jié)果

表2中，CM＝4.25，IR＝0.47。對(duì)比表1發(fā)現(xiàn)，表2中去除“捕食者”無人機(jī)后網(wǎng)絡(luò)連接性量度下降的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率反而增大了。這是因?yàn)閳D4的NCW在缺少戰(zhàn)場(chǎng)毀傷跟蹤這一角色后（在圖3中由“捕食者”無人機(jī)承擔(dān)），“全球鷹”節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流通量明顯增大了，在發(fā)揮“全球鷹”潛在能力的同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)效能比圖3所示的NCW提升了46.9%。這與“如何最大限度地發(fā)揮每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的效能才是NCW的核心”的思想是相符的，再一次證明了這種度量方法的可行性。

6 結(jié)束語

通過獲得NCW的連接性量度和網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，可以全面分析網(wǎng)絡(luò)的魯棒性；通過這些數(shù)值的比較，使受到攻擊時(shí)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)行為現(xiàn)象表現(xiàn)出來。實(shí)際上，連通測(cè)試量值的變化速率是斷開連接和受到攻擊節(jié)點(diǎn)的數(shù)目的函數(shù)，為觀察傳感器網(wǎng)絡(luò)的魯棒性提供了一個(gè)很好的手段。

隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和穩(wěn)健性逐步提升，節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同響應(yīng)變得復(fù)雜，同時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)值變得微弱。為了獲得更高效的協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)，從本文的仿真結(jié)果來看，應(yīng)盡量減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，努力將信息優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為打擊優(yōu)勢(shì)，最大限度地展現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的作戰(zhàn)效能。