基于多連接方式的無線通信網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ脱芯?/h1>
2016-07-09 14:27:15葉禮邦王滿喜張玉靈耿宏峰
現(xiàn)代電子技術(shù) 2016年7期
葉禮邦 王滿喜 張玉靈 耿宏峰
摘 要： 為了解決無線通信網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ蜕蓡栴}，結(jié)合無線通信網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一種多種連接方式的無線通信網(wǎng)演化模型，解析計(jì)算了模型的度分布。對網(wǎng)絡(luò)的度分布、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)抗毀性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，該模型生成的網(wǎng)絡(luò)具有冪率特性和小世界特性，模型效率隨著中程連接概率的增大而增大，網(wǎng)絡(luò)抗毀性能隨著中程連接概率的增大而降低，為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)化及網(wǎng)絡(luò)模型的抗毀性研究提供理論支撐和參考。
關(guān)鍵詞： 無線通信網(wǎng)； 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)； 拓?fù)淠Ｐ停?連接方式
中圖分類號： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0001?04
Abstract： To solve the topological model generating problem of wireless communication network， a wireless communication network evolving model with multi?connection modes is proposed according to the characteristics of wireless communication network. The degree distribution of the model is analyzed and calculated. The degree distribution of the network， network efficiency and anti?destruction performance of network were simulated. The simulation results show that the network generated by the model has the power?law and small?world characteristics， the model efficiency is increased with the increase of medium range connection probability， and anti?destruction performance of the network is decreased with the increase of medium range connection probability. The research provided a theoretical support and reference for studies on the optimization of network topology and anti?destruction performance of network model.
Keywords： wireless communication network； complex network； topological model； connection mode
0 引 言
隨著無線通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣化，單純依靠理論計(jì)算、實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)、設(shè)備的研制以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)，已經(jīng)不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。得益于仿真技術(shù)的發(fā)展，使得通過仿真技術(shù)建立通信網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)、協(xié)議體系和業(yè)務(wù)事件等仿真模型，從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)問題，提出網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)或優(yōu)化方案。構(gòu)建合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ褪峭ㄐ啪W(wǎng)仿真的基礎(chǔ)，也是判斷通信網(wǎng)建模與仿真可信性的重要依據(jù)。
在無線通信網(wǎng)絡(luò)建模中，最早采用人工設(shè)置的確定性模型（如星形網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和柵格網(wǎng)絡(luò)）或隨機(jī)性模型（如ER隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型）。隨著復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的發(fā)展，大量的實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)“無標(biāo)度”特性，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的度分布服從“冪率”[1?3]。為描述網(wǎng)絡(luò)的這一特性，科學(xué)家們提出了許多模型，其中最為著名的是Balabési等提出的BA模型[4]。BA模型通過網(wǎng)絡(luò)增長和擇優(yōu)連接，可以構(gòu)建出符合冪率分布的網(wǎng)絡(luò)模型。在BA模型的基礎(chǔ)上，不少研究者提出了具有特定約束條件的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，如“?李模型”為考慮局域世界的網(wǎng)絡(luò)模型[5]，該模型新增加的節(jié)點(diǎn)偏好選擇局域世界內(nèi)的節(jié)點(diǎn)建立連接。文獻(xiàn)[6]提出兼顧全局和局域世界的網(wǎng)絡(luò)演化模型，節(jié)點(diǎn)增長過程中依概率按度優(yōu)先連接，按概率連接到最近的節(jié)點(diǎn)。
針對無線通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也有不少學(xué)者根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣＿M(jìn)行研究。文獻(xiàn)[7]針對有線和無線傳輸條件，提出了無線通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停Ⅱ?yàn)證其有效性。文獻(xiàn)[8]主要考慮了節(jié)點(diǎn)的分類和連接規(guī)則兩方面，能夠構(gòu)建出一個(gè)核心節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)度可控的網(wǎng)絡(luò)模型，并分析了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能。文獻(xiàn)[9]將戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為骨干、接入和用戶三類，提出了一種能夠同時(shí)反映網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)空間位置和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多樣性特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲莼Ｐ汀?/p>
針對網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)增長和擇優(yōu)連接進(jìn)行改進(jìn)，從而得出更加符合網(wǎng)絡(luò)實(shí)際或者是更加體現(xiàn)研究者關(guān)注特征的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ褪菬o線通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣５臒狳c(diǎn)。本文針對無線通信網(wǎng)不同的鏈路傳輸距離不同的特點(diǎn)，將傳輸鏈路分為短程、中程和長程3類，提出了一種基于多連接方式的無線通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?。仿真結(jié)果表明，該模型滿足冪率特性和小世界特性，具有無線通信網(wǎng)的一般特點(diǎn)，能夠較好地模擬無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦浴?/p>
1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲莼Ｐ?/p>
無線通信網(wǎng)絡(luò)是綜合利用無線電臺、微波接力機(jī)、散射、衛(wèi)星等多種通信方式構(gòu)建的多手段、多層次、立體化的通信網(wǎng)絡(luò)[10]。采用無線電臺、微波接力機(jī)、散射、衛(wèi)星等傳輸方式的傳播距離差距很大，下面根據(jù)這一特點(diǎn)，建立不同連接方式下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>
1.1 模型設(shè)置
在模型演化過程中，主要考慮節(jié)點(diǎn)的空間位置分布和網(wǎng)絡(luò)鏈路特性。在模型演化過程中，模型按照下面規(guī)則進(jìn)行設(shè)置。
（1） 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的空間分布。定義網(wǎng)絡(luò)模型的覆蓋范圍，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照某種概率分布置于一個(gè)正方形的二維平面上，以節(jié)點(diǎn)的物理坐標(biāo)作為節(jié)點(diǎn)所處空間位置的表示。
（2） 網(wǎng)絡(luò)鏈路類型。根據(jù)無線通信網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間采用微波視距通信，空中平臺轉(zhuǎn)發(fā)通信和衛(wèi)星通信手段，采用不同的鏈路距離，通過自動(dòng)演化機(jī)制，生成具有柵格化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
（3） 網(wǎng)絡(luò)鏈路的連接距離。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路的類型，網(wǎng)絡(luò)模型中設(shè)置了三種不同的網(wǎng)絡(luò)鏈路：長程鏈路、中程鏈路和短程鏈路。長程鏈路采用衛(wèi)星通信手段，具備大范圍的通信覆蓋能力，能夠覆蓋整個(gè)戰(zhàn)區(qū)；中程鏈路采用升空平臺轉(zhuǎn)發(fā)，通信距離也較大，一般能達(dá)到數(shù)百千米；短程鏈路采用微波視距通信，由于要滿足通視要求，因此只能具備幾十千米的傳輸能力。
1.2 算法步驟
步驟1：初始狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)初始有[m0]個(gè)節(jié)點(diǎn)和[e0]條邊，[m0]均勻分布于[L×L]的平面上，并設(shè)定節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系。
步驟2：增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每次新加入1個(gè)節(jié)點(diǎn)，新加節(jié)點(diǎn)的位置在[L×L]的平面上服從均勻分布。
步驟3：按照通信范圍優(yōu)先連接[m]條邊，連接過程按照如下步驟：
（1） 按概率確定所增加的連接鏈路類型；
3 仿真試驗(yàn)
在仿真中，設(shè)置了1 000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)為5的全連接網(wǎng)絡(luò)，剩余的節(jié)點(diǎn)依次增加并隨機(jī)分布在1 000 km×1 000 km的范圍內(nèi)，每個(gè)新增加節(jié)點(diǎn)均與2個(gè)原節(jié)點(diǎn)相連，節(jié)點(diǎn)有一定的概率采用短程、中程和長程鏈路。其中短程鏈路的最大連接距離為50 km；中程鏈路的最大連接距離為400 km，最小連接距離為50 km；長程鏈路的最大連接距離為1 500 km，最短連接距離為300 km。
在仿真中，分別建立了短程、中程和長程連接概率為（0.8，0.1，0.1），（0.8，0.18，0.02）和（0.9，0.05，0.05）三種情況下網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淠Ｐ?，分別稱上述三種設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╝）、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╞）和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╟），三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。
3.1 度分布
根據(jù)理論分析，網(wǎng)絡(luò)的度分布在[m?M?m0+t]時(shí)具有指數(shù)為3的冪率分布。圖2所示為仿真設(shè)置的三種模型的網(wǎng)絡(luò)度分布曲線，從曲線上看，網(wǎng)絡(luò)度分布近似為冪率分布。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)在演化過程中，條件[m?M?m0+t]并非每次都能滿足，因此，網(wǎng)絡(luò)的度分布是介于指數(shù)分布與度分布之間。
3.2 網(wǎng)絡(luò)效率
為了方便對比分析，下面對比分析只存在短程連接和中程連接條件的網(wǎng)絡(luò)效率。設(shè)短程連接的連接概率為p，則中程連接的連接概率為[q]，顯然[p=1-q]。通過仿真得到[q]從0～1區(qū)間內(nèi)不同連接概率下的網(wǎng)絡(luò)，并分析不同網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)效率，如圖3所示。從圖中可以看出，仿真得出的網(wǎng)絡(luò)效率在0.18～0.3之間，說明生成的網(wǎng)絡(luò)具有較好的網(wǎng)絡(luò)效率；網(wǎng)絡(luò)效率隨著中程連接的增加而增加，說明在實(shí)際構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)的過程中，增加網(wǎng)絡(luò)的長距離連接可以提高網(wǎng)絡(luò)效率。
3.3 網(wǎng)絡(luò)抗毀性能
網(wǎng)絡(luò)抗毀性是評估軍事網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。所謂網(wǎng)絡(luò)抗毀性是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或遭受打擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)維持及恢復(fù)其性能、效能到一個(gè)可接受程度的能力[12?13]。服從“冪率”分布的網(wǎng)絡(luò)的重要特性是網(wǎng)絡(luò)具有較好抗隨機(jī)故障性能，但是面對選擇性打擊卻表現(xiàn)得十分脆弱。
采用本文建立的網(wǎng)絡(luò)模型，分別建立了短程連接概率p，中程連接概率q的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。設(shè)置p分別為1，0.7，0.4，0.1的情況進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分別分析其在選擇性打擊下的網(wǎng)絡(luò)性能。由于構(gòu)建的4種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)效率并不相等，為了方便對比采用歸一化的網(wǎng)絡(luò)效率，選擇評價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)為歸一化的網(wǎng)絡(luò)效率，通過對比網(wǎng)絡(luò)在受到干擾后網(wǎng)絡(luò)效率的下降速度來評價(jià)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能。圖4為仿真得出的不同連接概率下，網(wǎng)絡(luò)在選擇性打擊下的歸一化網(wǎng)絡(luò)效率曲線。從圖4中可以看出，中程連接概率的增加，使得網(wǎng)絡(luò)的抗選擇性打擊的性能降低；增加網(wǎng)絡(luò)中的較長程的連接雖然可以增大網(wǎng)絡(luò)的效率，但是同時(shí)卻使得網(wǎng)絡(luò)的抗選擇性打擊性能降低。
4 結(jié) 語
本文針對網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)增長和擇優(yōu)連接進(jìn)行改進(jìn)，建立了一種充分反映無線通信網(wǎng)在不同的鏈路傳輸距離下不同特點(diǎn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停抡娼Y(jié)果表明，該模型滿足無標(biāo)度特性和小世界特性，具有無線通信網(wǎng)的一般特點(diǎn)，能夠較好地模擬無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦浴Ｍ瑫r(shí)，利用仿真得出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，分析不同連接概率條件下網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)抗毀性能，得出了初步的仿真結(jié)論，對研究各種連接條件對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，對網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行改進(jìn)具有現(xiàn)實(shí)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 熊金石，李建華，楊迎輝.軍事通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性實(shí)證分析[J].軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2012，26（2）：77?80.
[2] 邢寧哲.電力光纖通信網(wǎng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性實(shí)證分析[J].光通信技術(shù)，2014，38（3）：1?4.
[3] 梅丹，王公寶，胡偉文，等.艦船通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性實(shí)證分析[J].艦船電子工程，2014，34（8）：53?55.
[4] BARABASI A L， ALBERT R. Emergence of scaling in random networks [J]. Science， 1999， 286（5439）： 509?512.
[5] LI Xiang， CHEN Guanrong. A local?world evolving network model [J]. Statistical mechanics and its applications， 2003， 328（1/2）： 274?286.
[6] LI Baoqiang， TIAN Shurong， SI Shoukui， et al. On the simulation of the network topology generator and robustness of the constructed network [C]// Proceedings of 2011 2nd Internatio?nal Conference on Intelligent Control and Information Proces?sing. Harbin， China： IEEE， 2011： 725?728.
[7] 閔雪嬌，慕曉冬，張娟.戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ偷难芯縖J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007（7）：108?109.
[8] 張明科，陳政，于長軍，等.網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)爭中的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣J].航天控制，2007，25（4）：3?6.
[9] 李俊，呂欣，譚躍進(jìn).基于空間結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)建模[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32（7）：1456?1461.
[10] 王海濤，宋麗華.戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)及其建模探討[J].國防技術(shù)基礎(chǔ)，2006（2）：30?33.
[11] CRUCITTI P， LATORA V， MARCHIORI M， et al. Efficiency of scale?free networks： error and attack tolerance [J]. Statistical mechanics and its applications， 2002， 320（3）： 622?642.
[12] 李俊，呂欣，譚躍進(jìn).基于空間結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)建模[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32（7）：1456?1461.
[13] 王亮，王新增，王英泓.基于改進(jìn)跳面節(jié)點(diǎn)法的地域通信網(wǎng)抗毀性評價(jià)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（13）：13?15.
葉禮邦 王滿喜 張玉靈 耿宏峰
摘 要： 為了解決無線通信網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ蜕蓡栴}，結(jié)合無線通信網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一種多種連接方式的無線通信網(wǎng)演化模型，解析計(jì)算了模型的度分布。對網(wǎng)絡(luò)的度分布、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)抗毀性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，該模型生成的網(wǎng)絡(luò)具有冪率特性和小世界特性，模型效率隨著中程連接概率的增大而增大，網(wǎng)絡(luò)抗毀性能隨著中程連接概率的增大而降低，為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)化及網(wǎng)絡(luò)模型的抗毀性研究提供理論支撐和參考。
關(guān)鍵詞： 無線通信網(wǎng)； 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)； 拓?fù)淠Ｐ停?連接方式
中圖分類號： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0001?04
Abstract： To solve the topological model generating problem of wireless communication network， a wireless communication network evolving model with multi?connection modes is proposed according to the characteristics of wireless communication network. The degree distribution of the model is analyzed and calculated. The degree distribution of the network， network efficiency and anti?destruction performance of network were simulated. The simulation results show that the network generated by the model has the power?law and small?world characteristics， the model efficiency is increased with the increase of medium range connection probability， and anti?destruction performance of the network is decreased with the increase of medium range connection probability. The research provided a theoretical support and reference for studies on the optimization of network topology and anti?destruction performance of network model.
Keywords： wireless communication network； complex network； topological model； connection mode
0 引 言
隨著無線通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣化，單純依靠理論計(jì)算、實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)、設(shè)備的研制以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)，已經(jīng)不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。得益于仿真技術(shù)的發(fā)展，使得通過仿真技術(shù)建立通信網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)、協(xié)議體系和業(yè)務(wù)事件等仿真模型，從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)問題，提出網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)或優(yōu)化方案。構(gòu)建合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ褪峭ㄐ啪W(wǎng)仿真的基礎(chǔ)，也是判斷通信網(wǎng)建模與仿真可信性的重要依據(jù)。
在無線通信網(wǎng)絡(luò)建模中，最早采用人工設(shè)置的確定性模型（如星形網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和柵格網(wǎng)絡(luò)）或隨機(jī)性模型（如ER隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型）。隨著復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的發(fā)展，大量的實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)“無標(biāo)度”特性，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的度分布服從“冪率”[1?3]。為描述網(wǎng)絡(luò)的這一特性，科學(xué)家們提出了許多模型，其中最為著名的是Balabési等提出的BA模型[4]。BA模型通過網(wǎng)絡(luò)增長和擇優(yōu)連接，可以構(gòu)建出符合冪率分布的網(wǎng)絡(luò)模型。在BA模型的基礎(chǔ)上，不少研究者提出了具有特定約束條件的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，如“?李模型”為考慮局域世界的網(wǎng)絡(luò)模型[5]，該模型新增加的節(jié)點(diǎn)偏好選擇局域世界內(nèi)的節(jié)點(diǎn)建立連接。文獻(xiàn)[6]提出兼顧全局和局域世界的網(wǎng)絡(luò)演化模型，節(jié)點(diǎn)增長過程中依概率按度優(yōu)先連接，按概率連接到最近的節(jié)點(diǎn)。
針對無線通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也有不少學(xué)者根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣＿M(jìn)行研究。文獻(xiàn)[7]針對有線和無線傳輸條件，提出了無線通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停Ⅱ?yàn)證其有效性。文獻(xiàn)[8]主要考慮了節(jié)點(diǎn)的分類和連接規(guī)則兩方面，能夠構(gòu)建出一個(gè)核心節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)度可控的網(wǎng)絡(luò)模型，并分析了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能。文獻(xiàn)[9]將戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為骨干、接入和用戶三類，提出了一種能夠同時(shí)反映網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)空間位置和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多樣性特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲莼Ｐ汀?/p>
針對網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)增長和擇優(yōu)連接進(jìn)行改進(jìn)，從而得出更加符合網(wǎng)絡(luò)實(shí)際或者是更加體現(xiàn)研究者關(guān)注特征的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ褪菬o線通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣５臒狳c(diǎn)。本文針對無線通信網(wǎng)不同的鏈路傳輸距離不同的特點(diǎn)，將傳輸鏈路分為短程、中程和長程3類，提出了一種基于多連接方式的無線通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?。仿真結(jié)果表明，該模型滿足冪率特性和小世界特性，具有無線通信網(wǎng)的一般特點(diǎn)，能夠較好地模擬無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦浴?/p>
1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲莼Ｐ?/p>
無線通信網(wǎng)絡(luò)是綜合利用無線電臺、微波接力機(jī)、散射、衛(wèi)星等多種通信方式構(gòu)建的多手段、多層次、立體化的通信網(wǎng)絡(luò)[10]。采用無線電臺、微波接力機(jī)、散射、衛(wèi)星等傳輸方式的傳播距離差距很大，下面根據(jù)這一特點(diǎn)，建立不同連接方式下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>
1.1 模型設(shè)置
在模型演化過程中，主要考慮節(jié)點(diǎn)的空間位置分布和網(wǎng)絡(luò)鏈路特性。在模型演化過程中，模型按照下面規(guī)則進(jìn)行設(shè)置。
（1） 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的空間分布。定義網(wǎng)絡(luò)模型的覆蓋范圍，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照某種概率分布置于一個(gè)正方形的二維平面上，以節(jié)點(diǎn)的物理坐標(biāo)作為節(jié)點(diǎn)所處空間位置的表示。
（2） 網(wǎng)絡(luò)鏈路類型。根據(jù)無線通信網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間采用微波視距通信，空中平臺轉(zhuǎn)發(fā)通信和衛(wèi)星通信手段，采用不同的鏈路距離，通過自動(dòng)演化機(jī)制，生成具有柵格化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
（3） 網(wǎng)絡(luò)鏈路的連接距離。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路的類型，網(wǎng)絡(luò)模型中設(shè)置了三種不同的網(wǎng)絡(luò)鏈路：長程鏈路、中程鏈路和短程鏈路。長程鏈路采用衛(wèi)星通信手段，具備大范圍的通信覆蓋能力，能夠覆蓋整個(gè)戰(zhàn)區(qū)；中程鏈路采用升空平臺轉(zhuǎn)發(fā)，通信距離也較大，一般能達(dá)到數(shù)百千米；短程鏈路采用微波視距通信，由于要滿足通視要求，因此只能具備幾十千米的傳輸能力。
1.2 算法步驟
步驟1：初始狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)初始有[m0]個(gè)節(jié)點(diǎn)和[e0]條邊，[m0]均勻分布于[L×L]的平面上，并設(shè)定節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系。
步驟2：增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每次新加入1個(gè)節(jié)點(diǎn)，新加節(jié)點(diǎn)的位置在[L×L]的平面上服從均勻分布。
步驟3：按照通信范圍優(yōu)先連接[m]條邊，連接過程按照如下步驟：
（1） 按概率確定所增加的連接鏈路類型；
3 仿真試驗(yàn)
在仿真中，設(shè)置了1 000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)為5的全連接網(wǎng)絡(luò)，剩余的節(jié)點(diǎn)依次增加并隨機(jī)分布在1 000 km×1 000 km的范圍內(nèi)，每個(gè)新增加節(jié)點(diǎn)均與2個(gè)原節(jié)點(diǎn)相連，節(jié)點(diǎn)有一定的概率采用短程、中程和長程鏈路。其中短程鏈路的最大連接距離為50 km；中程鏈路的最大連接距離為400 km，最小連接距離為50 km；長程鏈路的最大連接距離為1 500 km，最短連接距離為300 km。
在仿真中，分別建立了短程、中程和長程連接概率為（0.8，0.1，0.1），（0.8，0.18，0.02）和（0.9，0.05，0.05）三種情況下網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淠Ｐ?，分別稱上述三種設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╝）、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╞）和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╟），三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。
3.1 度分布
根據(jù)理論分析，網(wǎng)絡(luò)的度分布在[m?M?m0+t]時(shí)具有指數(shù)為3的冪率分布。圖2所示為仿真設(shè)置的三種模型的網(wǎng)絡(luò)度分布曲線，從曲線上看，網(wǎng)絡(luò)度分布近似為冪率分布。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)在演化過程中，條件[m?M?m0+t]并非每次都能滿足，因此，網(wǎng)絡(luò)的度分布是介于指數(shù)分布與度分布之間。
3.2 網(wǎng)絡(luò)效率
為了方便對比分析，下面對比分析只存在短程連接和中程連接條件的網(wǎng)絡(luò)效率。設(shè)短程連接的連接概率為p，則中程連接的連接概率為[q]，顯然[p=1-q]。通過仿真得到[q]從0～1區(qū)間內(nèi)不同連接概率下的網(wǎng)絡(luò)，并分析不同網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)效率，如圖3所示。從圖中可以看出，仿真得出的網(wǎng)絡(luò)效率在0.18～0.3之間，說明生成的網(wǎng)絡(luò)具有較好的網(wǎng)絡(luò)效率；網(wǎng)絡(luò)效率隨著中程連接的增加而增加，說明在實(shí)際構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)的過程中，增加網(wǎng)絡(luò)的長距離連接可以提高網(wǎng)絡(luò)效率。
3.3 網(wǎng)絡(luò)抗毀性能
網(wǎng)絡(luò)抗毀性是評估軍事網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。所謂網(wǎng)絡(luò)抗毀性是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或遭受打擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)維持及恢復(fù)其性能、效能到一個(gè)可接受程度的能力[12?13]。服從“冪率”分布的網(wǎng)絡(luò)的重要特性是網(wǎng)絡(luò)具有較好抗隨機(jī)故障性能，但是面對選擇性打擊卻表現(xiàn)得十分脆弱。
采用本文建立的網(wǎng)絡(luò)模型，分別建立了短程連接概率p，中程連接概率q的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。設(shè)置p分別為1，0.7，0.4，0.1的情況進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分別分析其在選擇性打擊下的網(wǎng)絡(luò)性能。由于構(gòu)建的4種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)效率并不相等，為了方便對比采用歸一化的網(wǎng)絡(luò)效率，選擇評價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)為歸一化的網(wǎng)絡(luò)效率，通過對比網(wǎng)絡(luò)在受到干擾后網(wǎng)絡(luò)效率的下降速度來評價(jià)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能。圖4為仿真得出的不同連接概率下，網(wǎng)絡(luò)在選擇性打擊下的歸一化網(wǎng)絡(luò)效率曲線。從圖4中可以看出，中程連接概率的增加，使得網(wǎng)絡(luò)的抗選擇性打擊的性能降低；增加網(wǎng)絡(luò)中的較長程的連接雖然可以增大網(wǎng)絡(luò)的效率，但是同時(shí)卻使得網(wǎng)絡(luò)的抗選擇性打擊性能降低。
4 結(jié) 語
本文針對網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)增長和擇優(yōu)連接進(jìn)行改進(jìn)，建立了一種充分反映無線通信網(wǎng)在不同的鏈路傳輸距離下不同特點(diǎn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停抡娼Y(jié)果表明，該模型滿足無標(biāo)度特性和小世界特性，具有無線通信網(wǎng)的一般特點(diǎn)，能夠較好地模擬無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦浴Ｍ瑫r(shí)，利用仿真得出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，分析不同連接概率條件下網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)抗毀性能，得出了初步的仿真結(jié)論，對研究各種連接條件對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，對網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行改進(jìn)具有現(xiàn)實(shí)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 熊金石，李建華，楊迎輝.軍事通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性實(shí)證分析[J].軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2012，26（2）：77?80.
[2] 邢寧哲.電力光纖通信網(wǎng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性實(shí)證分析[J].光通信技術(shù)，2014，38（3）：1?4.
[3] 梅丹，王公寶，胡偉文，等.艦船通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性實(shí)證分析[J].艦船電子工程，2014，34（8）：53?55.
[4] BARABASI A L， ALBERT R. Emergence of scaling in random networks [J]. Science， 1999， 286（5439）： 509?512.
[5] LI Xiang， CHEN Guanrong. A local?world evolving network model [J]. Statistical mechanics and its applications， 2003， 328（1/2）： 274?286.
[6] LI Baoqiang， TIAN Shurong， SI Shoukui， et al. On the simulation of the network topology generator and robustness of the constructed network [C]// Proceedings of 2011 2nd Internatio?nal Conference on Intelligent Control and Information Proces?sing. Harbin， China： IEEE， 2011： 725?728.
[7] 閔雪嬌，慕曉冬，張娟.戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ偷难芯縖J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007（7）：108?109.
[8] 張明科，陳政，于長軍，等.網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)爭中的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣J].航天控制，2007，25（4）：3?6.
[9] 李俊，呂欣，譚躍進(jìn).基于空間結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)建模[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32（7）：1456?1461.
[10] 王海濤，宋麗華.戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)及其建模探討[J].國防技術(shù)基礎(chǔ)，2006（2）：30?33.
[11] CRUCITTI P， LATORA V， MARCHIORI M， et al. Efficiency of scale?free networks： error and attack tolerance [J]. Statistical mechanics and its applications， 2002， 320（3）： 622?642.
[12] 李俊，呂欣，譚躍進(jìn).基于空間結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)建模[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32（7）：1456?1461.
[13] 王亮，王新增，王英泓.基于改進(jìn)跳面節(jié)點(diǎn)法的地域通信網(wǎng)抗毀性評價(jià)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（13）：13?15.
