吳鑫輝 鄒 雨 鄭 銳

（中國人民解放軍91977部隊 北京 100036）

1 引言

在通信指揮領(lǐng)域決策過程中，由于海上編隊活動范圍廣闊，業(yè)務(wù)種類眾多，不同通信保障任務(wù)對通信質(zhì)量、保障范圍、安全保密等要求不一，如何選擇恰當(dāng)?shù)耐ㄐ刨Y源保障對應(yīng)的通信任務(wù)，已成為通信指揮決策的一個難點問題［1～3］。在海軍通信保障任務(wù)與短波、衛(wèi)星、超短波、微波等通信資源優(yōu)化匹配過程中，一方面需要綜合考慮通信質(zhì)量、通信安全性、通信資源利用率等各方面要求，屬于多層次、多屬性、多要素的復(fù)雜評估決策問題；另一方面由于通信指揮中涉及人的主觀意識較多，保障任務(wù)目標(biāo)、通信戰(zhàn)法、原則的運用和風(fēng)險度等決策因素往往難以用定量的數(shù)學(xué)方法來闡述，只能用模糊的、定性的、難以明確的的言語來描述，傳統(tǒng)的加權(quán)式、等精確性評估方法難以滿足決策需求。

目前，文獻(xiàn)對面向4G、5G等多基站的頻率資源調(diào)度研究較多［4～7］，但是針對海上多種通信手段和通信任務(wù)之間的通信資源匹配調(diào)度問題研究基本為空白，而隨著海上編隊作戰(zhàn)任務(wù)多、作戰(zhàn)時效性高等特點越來越明顯，亟需研究一種精細(xì)化的通信任務(wù)和通信資源匹配方法，提高海上通信指揮能力。針對多樣化軍事活動通信保障對通信資源需求匹配問題，本文提出了一種基于模糊綜合決策的通信指揮輔助決策方法，建立了海軍多通信手段評價指標(biāo)，采用模糊集理論分析了不同評價指標(biāo)的模糊權(quán)重和隸屬度模型，研究了通信指揮資源優(yōu)化匹配計算的流程，最后給出了一個例子說明了算法的有效性。

2 海軍通信指揮滿足度指標(biāo)體系

從海軍通信指揮角度出發(fā)，評估某通信資源是否滿足某通信任務(wù)需求，可初步將通信資源滿足度指標(biāo)體系分為通信系統(tǒng)性能指標(biāo)、通信安全性指標(biāo)、通信穩(wěn)定性指標(biāo)、通信資源使用情況等四大塊，其中：通信系統(tǒng)性能指標(biāo)為評價通信系統(tǒng)性能是否滿足任務(wù)保障需求，主要包括頻率范圍、傳輸速率、平均發(fā)射功率、峰包功率、互調(diào)失真、邊帶抑制等；通信安全性能指標(biāo)為評價通信安全性能是否滿足任務(wù)保障需求，主要包括網(wǎng)絡(luò)物理安全、終端安全、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)管安全等；通信穩(wěn)定性能指標(biāo)為評價通信穩(wěn)定性是否滿足任務(wù)保障需求，主要包括通信誤碼率、通信丟包率、平均無故障時長等；通信資源使用情況指標(biāo)為評價各類通信資源的：通信資源利用率、通信資源平均負(fù)載時長、通信設(shè)備損耗率、通信資源負(fù)載均衡度等。

圖1 通信指揮資源滿足度指標(biāo)體系

3 基于模糊綜合決策的海軍通信任務(wù)資源匹配方法

3.1 模糊綜合決策應(yīng)用于通信資源匹配簡介

在實際通信資源最優(yōu)匹配綜合評判過程中，由于涉及的部分指標(biāo)具有模糊性，導(dǎo)致通信指揮效果無法用確切數(shù)字來描述。例如，保障任務(wù)的重要性，通信系統(tǒng)性能、安全性的滿足程度等都隨著任務(wù)變化而具有一定范圍性，需要用模糊語言加以描述；同時，由于資源匹配需要考慮多種因素，不同因素對評判結(jié)果的影響程度也是不明確的。因此，對于模糊綜合評判問題必須借助于模糊集合論方法才能得到有效解決。

按照模糊決策理論，模糊綜合決策需要完成建立評價因素集、評價尺度集、權(quán)重集，計算模糊綜合評價集等步驟［8～10］。該理論應(yīng)用到通信資源匹配領(lǐng)域中，首先要建立通信資源與任務(wù)匹配的指標(biāo)集合，其次建立與指標(biāo)集合對應(yīng)的權(quán)重集合和指標(biāo)隸屬度函數(shù)集合，最后通過計算不同通信指揮方案的通信資源匹配模糊評判矩陣和通信資源匹配模糊評判矩陣，通過評價尺度集合確定模糊決策結(jié)果。

3.2 通信資源匹配隸屬函數(shù)構(gòu)建方法研究

隸屬函數(shù)是模糊集合運算的重要組成部分，針對不同的模糊關(guān)系，應(yīng)采用不同的方法來確定隸屬函數(shù)。由于通信資源匹配的各類指標(biāo)都具有較為明顯的趨勢性，例如傳輸速率越大越好、傳輸時延越小越好、資源負(fù)載越均衡越好等等，因此，本文采用模糊分布法來確定各類指標(biāo)的隸屬函數(shù)。根據(jù)不同隸屬函數(shù)特征，常用的模糊分布有戒上型、戒下型和對稱型三大類［11～12］。

典型的戒上型升半Γ分布：

黃河沿岸的防務(wù)工作不僅關(guān)系到沿岸居民的生存狀況，對于穩(wěn)固清朝的統(tǒng)治也有一定的影響，因此清政府對于黃河的防務(wù)工作十分重視。清政府和沿河每年都會撥出巨額資金來支持黃河的防務(wù)工作。而這些用以黃河治理的大量資金，黃河防務(wù)工程的財務(wù)管理上卻并沒有明確的資金賬目數(shù)據(jù)顯示，且部分河道官員偷工減料，克扣餉銀，貪污腐敗，肥己營私等等，這些都給黃河的防務(wù)工作帶來了很大的弊端。

典型的戒下型升半Γ分布：

典型的對稱型尖Γ分布：

3.3 基于模糊綜合決策的通信資源匹配計算步驟

Step1 建立通信資源分配指標(biāo)集合U={u1,u2,…,un}，其中，元素ui代表各個影響任務(wù)資源匹配的指標(biāo)，例如，通信傳輸速率、傳輸時延、安全性系數(shù)等等；建立通信資源分配指標(biāo)權(quán)重集合W={w1,w2,…,wi}，權(quán)重集合W屬于指標(biāo)集合U的模糊子集，其中，元素wi代表指標(biāo)ui對W的隸屬度。

Step2 建立各個通信資源匹配指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，根據(jù)各個指標(biāo)的不同含義和趨勢分布，根據(jù)3.2節(jié)的隸屬度函數(shù)構(gòu)建方法，分析適應(yīng)性的參數(shù)選擇，確定各個指標(biāo)的隸屬度函數(shù)μ={μu1,μu2,…,μui}。

Step3 計算通信資源匹配模糊評判矩陣U。根據(jù)不同通信資源匹配方案，將不同分配方案的參數(shù)值代入隸屬度函數(shù)，得出模糊評判矩陣U。

Step4 根據(jù)Step1權(quán)重集合W和Step3模糊評判矩陣U，通過模糊矩陣乘法得到模糊評判集合E=W?U，采用最大隸屬度法得出評判結(jié)果。

4 通信指揮綜合決策實例

某通信指揮保障任務(wù)為指揮類報文傳輸業(yè)務(wù)，從指標(biāo)體系中選擇重點的五個指標(biāo)作為評估因素，包括傳輸速率、傳輸時延、傳輸誤碼率、資源利用率、傳輸安全系數(shù)五項關(guān)鍵性指標(biāo)，期望要求候選的通信資源重點指標(biāo)能滿足以下要求：1）傳輸速率需求15kbps～35kbps，傳輸速率越大越好；2）傳輸時延要求低于0.5s，傳輸時延越小越好；3）傳輸誤碼率低于0.01，誤碼率越小越好；4）資源利用率小于0.8，即期望不使用利用率較高的通信資源；5）安全系數(shù)大于0.7，安全系數(shù)越大越好，安全系數(shù)范圍是0～1之間。針對該保障任務(wù)，表1顯示了五種通信資源保障候選方案各個指標(biāo)情況。

表1 不同通信保障方案通信指標(biāo)情況

1）建立指標(biāo)集

從影響通信指揮資源調(diào)度速率要求、時延要求、穩(wěn)定性要求以及安全性要求的指標(biāo)集合取傳輸速率、傳輸時延、傳輸誤碼率、資源利用率、傳輸安全系數(shù)五項關(guān)鍵性指標(biāo)，組成模糊決策因素集?？杀硎緸?/p>

式中，u1傳輸速率，u2傳輸時延，u3傳輸誤碼率，u4資源利用率，u5傳輸安全系數(shù)。

2）建立指標(biāo)權(quán)重集

根據(jù)該任務(wù)屬于指揮類通信保障類任務(wù)，對傳輸?shù)臅r效性和安全性要求很高，因此給定各指標(biāo)的重要程度為：傳輸速率要求滿足最低傳輸速率要求，比較重要，取0.7；傳輸時延要求低，非常重要，取0.85；傳輸誤碼率要求滿足通信需要，比較重要，取0.75；要求全力保障該項任務(wù)，故對資源利用率指標(biāo)要求較低，取0.5；對傳輸安全系數(shù)要求高，非常重要，取0.8。通過歸一化處理，可得到指標(biāo)權(quán)重集為

3）指標(biāo)隸屬度函數(shù)設(shè)計

根據(jù)通信指揮各項指標(biāo)特性，基本都具有一個明確的上限或下限值，在上、下限值之外基本為趨勢值，因此此處主要采用模糊分布方法來確定指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。根據(jù)各項指標(biāo)含義，各項指標(biāo)的滿意度隸度函數(shù)如所示。

對于該次通信保障任務(wù)，傳輸?shù)氖侵笓]類報文業(yè)務(wù)，傳輸速率指標(biāo)的最低容許值為15kbps，期望值為35kbps，那么，其隸屬度函數(shù)可設(shè)計為

傳輸最大時延容許值為0.5s，期望值為時延越小越好，那么，其隸屬度函數(shù)可設(shè)計為

傳輸誤碼率容許值為0.01，期望值為誤碼率越小越好，那么，其隸屬度函數(shù)可設(shè)計為

資源利用率指標(biāo)容許值為0.8，期望資源利用率為0.5，即期望該資源負(fù)載留有余量，則隸屬度函數(shù)可設(shè)計為

安全性系數(shù)指標(biāo)容許值為0.7，期望安全性系數(shù)越大越好，則隸屬度函數(shù)可設(shè)計為

4）計算評判矩陣

將不同資源匹配方案的各項指標(biāo)值，代入指標(biāo)隸屬度函數(shù)中，可得到五個單指標(biāo)評判集分別為

5）各方案選擇的綜合評判

對于綜合評判模型，有 M(?,+)等，由于M(?,+)綜合考慮了多個要素影響，此處選擇M(?,+)模型進(jìn)行運算得到綜合評判矩陣：

由計算結(jié)果可知，綜合考慮各方面因素，方案4為最優(yōu)方案。

由于該項通信保障任務(wù)為通信指揮類業(yè)務(wù)，對時效性、安全性要求比較高，相對對資源利用情況要求較低；如果某次通信保障任務(wù)為日常性通聯(lián)任務(wù)，由于該類任務(wù)頻繁、占用資源較多、時間較長，故對資源利用率指標(biāo)考慮較多，那么對各個要素的權(quán)重值比例進(jìn)行調(diào)整，為W=(0.20,0.10,0.10,0.40,0.20)，并代入

由計算結(jié)果可知，當(dāng)任務(wù)側(cè)重目標(biāo)為提高通信資源利用率時，方案1為最優(yōu)方案。

由以上例子表明，由于任務(wù)性質(zhì)不同，不同指標(biāo)的隸屬度函數(shù)、期望值和容許值的設(shè)定，各因素權(quán)重值等都會影響最終方案評選結(jié)果。因此，在實際運用過程中，需要根據(jù)不同任務(wù)種類和性質(zhì)，依據(jù)歷史積累數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗，制定不同隸屬度參數(shù)、權(quán)重值參數(shù)模板，以適應(yīng)紛繁多變的通信保障資源匹配任務(wù)需求。

5 結(jié)語

本文基于模糊理論的通信資源匹配算法用于海軍通信指揮資源調(diào)度與分配，根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計了相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重集合和隸屬度函數(shù)，體現(xiàn)了通信指揮中資源匹配任務(wù)中含人主觀要素的模糊性，保證了通信資源調(diào)度在不同情形下最優(yōu)調(diào)配結(jié)果。在實際通信指揮資源調(diào)度過程中，隸屬度函數(shù)和權(quán)重集合需要根據(jù)任務(wù)屬性、實際環(huán)境和專家經(jīng)驗而定，建議可以根據(jù)多年經(jīng)驗積累和使用實踐制定多個模糊決策參數(shù)模板，以適應(yīng)多樣化通信保障任務(wù)的資源調(diào)度要求。