基于云理論的平流層通信系統(tǒng)效能評估*

門昱冰 鄭劍云 張 權(quán)

（1.海軍大連艦艇學院信息系統(tǒng)系 大連 116018）（2.中國人民解放軍93159部隊 大連 116036）

1 引言

當前，低空無人機通信和衛(wèi)星通信是空中通信的兩種主要手段。無人機通信在為用戶提供無線覆蓋時具有靈活性和機動性的特點，但是單個無人機在空中的飛行時間有限不能進行長期通信，而且當通信覆蓋范圍較大時，則需要大量無人機群進行通信保障，此時將會面臨機群的協(xié)同、飛行控制和資源管理等一系列問題。衛(wèi)星通信雖然有較大的覆蓋范圍，但是它也有部分缺點，比如：時延較大、鏈路損耗較大、動態(tài)拓撲較高、造價較高。

平流層通信將無線中繼或空中基站搭建在平流層中，通常情況下使用飛艇、無人機或氣球等方式作為空中平臺［1］。同時，平流層通信平臺能夠克服地面基站限制，達到在海洋、原始森林、沙漠、高山等地高速接入互聯(lián)網(wǎng)。它的出現(xiàn)極大地豐富了現(xiàn)有的通信方式，使得通信手段更加多樣，在未來保障軍事通信和建立應(yīng)急通信等方面都具有廣闊的發(fā)展前景。

平流層通信在軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域中的效能評估主要是對信息傳輸能力、信息安全能力和作戰(zhàn)保障能力的評估。效能評估過程中可能會出現(xiàn)隨機性和模糊性的因素，因此本文使用基于云理論的評估方法，用云重心評價法對其進行效能評估，避免平流層通信系統(tǒng)效能評估時的偶然性和不確定性。

2 評估指標體系

在建立平流層通信效能評估指標體系時需要考慮平流層通信特點［2］，在實際評估過程中評估指標要盡可能的簡明［3］，以便更好地對目標評估系統(tǒng)進行評估。研究平流層通信在軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域中的效能評估，可以將效能評估指標分為兩大類，分別為通信能力和保障能力。建立平流層通信效能的評估指標體系，并分析平流層通信系統(tǒng)的各個要素。

3 熵值法

熵值法是一種根據(jù)指標離散程度確定權(quán)重的評估方法。熵值越大，那么它所對應(yīng)的某項指標的隨機性和不確定性就會越大，那么該指標的穩(wěn)定度就會越差，對總體性能的影響程度就越大，相應(yīng)地就應(yīng)該增加該項指標在總體評價中的權(quán)重［4］。反之，熵值越小，那么它所對應(yīng)的某項指標的隨機性和不確定性就會越小，那么該指標的穩(wěn)定度就會越號，對總體性能的影響程度就越小，對應(yīng)的指標權(quán)重越小。熵值法是根據(jù)客觀實際計算指標的權(quán)重，增加了評估的科學性和合理性。接下來，將詳細說明熵值法的計算步驟。

圖1 平流層通信效能指標評估體系

然后，計算每一項指標的熵值。

接下來，計算信息熵的冗余度。

最后，計算每一項指標的權(quán)重。

熵值法以評估目標的客觀實際出發(fā)，沒有任何主觀信息，利用指標取值的差值和離散程度確定指標的權(quán)重，是一種客觀的確定權(quán)重的方法。

4 云理論

4.1 云理論的基本概念

云模型的三個數(shù)字特征為期望Ex、熵En和超熵 He［5～9］，它表示了整體特征的不確定性。云的期望是所有樣本中最具有代表意義的樣本點，而根據(jù)“3En規(guī)則”，在［Ex-3En，Ex+3En］范圍內(nèi)幾乎包括了所有的有貢獻的樣本點。如果只看云的期望與熵，那么它就只是一個普通的正態(tài)函數(shù)，但是加入了超熵這個概念，它就可以使某個樣本的熵也具有隨機性了，這樣就可以將隨機性和模糊性結(jié)合在一起表示了。圖2表示了云的期望Ex、熵En和超熵He三個數(shù)字特征。

圖2 云的三個數(shù)字特征

4.2 云重心評價法

云重心的表達式為T=a×b，其中a表示云重心的位置，b表示云重心的高度，一般b取常值0.371。a在數(shù)值上等于期望的值，會隨著期望值的變化而變化。在判斷云的重要程度時，如果a的值相同，那么可以比較b的值大小。

云重心評價法的具體計算步驟如下。

首先，在指標體系中提出n組數(shù)據(jù)樣本形成決策矩陣，可以得到求出各指標的云模型的表示方法。其中：

云模型也可以用來表達定性指標，其中：

其次，q個云模型可以刻畫q個性能指標，可以用q維向量來表示q維綜合云，即T=(T1,T2,…,Tq)，其中：

用云模型實現(xiàn)由11個評語所組成的評語集：V=(V1,V2,…,V11)，具體數(shù)值如圖3所示。

圖3 評語集云發(fā)生器

5 實例分析

以平流層通信效能評估指標體系中的通信能力為例，對其信息傳輸能力、業(yè)務(wù)引接能力和快速反應(yīng)能力3個下級指標進行評估。隨機選取每個指標的3組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 平流層通信效能評估指標評價表

根據(jù)云模型評價集中的定義，將上述定性指標轉(zhuǎn)換為定量指標，生成決策矩陣A。

根據(jù)熵值法得到上述指標的權(quán)重值：

通過計算評價表對應(yīng)的定性值，得到各個指標云模型參數(shù)的期望值和熵，如表2所示。

表2 平流層通信效能指標云模型參數(shù)

根據(jù)表1和表2提供的數(shù)據(jù)和云重心計算公式，可得綜合云重心T和理想狀態(tài)下的標準云重心T0，根據(jù)式（11）將多維加權(quán)云重心值進行歸一化處理得到T0G，最終得到加權(quán)偏離度θ。

計算出加權(quán)偏離度θ=0.3897，相似度為1-θ=0.6103，對應(yīng)上文中定義的評價集結(jié)果介于“好”和“較好”之間，更趨近于“好”。根據(jù)上述結(jié)果可以得出，平流層通信效能評估指標體系中的通信能力評估結(jié)果為“好”。

6 結(jié)語

本文提出了基于云理論的平流層通信效能的評估指標體系模型和評估方法，并通過實例分析對其通信能力部分進行驗證。采用熵值法計算評估指標參數(shù)的權(quán)重，更加客觀，采用云重心評價法將系統(tǒng)定性概念與定量數(shù)值進行轉(zhuǎn)化，最終得出了評估結(jié)果。結(jié)合具體實例對平流層通信效能中的通信能力進行分析，最終判斷其通信能力的效能評估結(jié)果為“好”，證明了用云重心評價法進行效能評估的科學性和直觀性，為其在未來的應(yīng)用提供理論支撐。