羅穎光，鄒自力，余 亮

（國防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，武漢 430010）

0 引言

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)是戰(zhàn)時實施戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)通信保障的重要支撐，實施快速有效的仿真已成為檢驗戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)通信保障效能的重要手段。驗證通信保障效能通常需要采集分析信息通斷、傳輸時延、準(zhǔn)確率［1］等數(shù)據(jù)，均需依托用戶生成的端到端通信業(yè)務(wù)量，其應(yīng)是隨著仿真過程不斷變化并帶有一定規(guī)律的隨機量。

傳統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)通常分為話音、傳真、數(shù)據(jù)、圖像及視頻等5 種業(yè)務(wù)，在通信網(wǎng)絡(luò)傳輸中應(yīng)是基于IP 交換體制的數(shù)據(jù)包［2］，故本文將上述5 類業(yè)務(wù)歸一為一種格式。目前，通信業(yè)務(wù)量生成方法大多是面向通信專業(yè)人員，或適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，或與用戶生成通信業(yè)務(wù)量過程不符。如文獻(xiàn)［3］通過分析歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出數(shù)據(jù)量的統(tǒng)計規(guī)律，進而預(yù)測用戶業(yè)務(wù)總量，更多用于解決網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的問題；文獻(xiàn)［4］綜合運用運籌學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學(xué)方法，通過構(gòu)建不同類型的業(yè)務(wù)量數(shù)學(xué)模型來進行業(yè)務(wù)量生成，運算復(fù)雜，計算量較大；文獻(xiàn)［5］通過定量分析通信網(wǎng)中不同節(jié)點之間的關(guān)系，使用吸引系數(shù)法分析業(yè)務(wù)類型構(gòu)建了業(yè)務(wù)量生成模型，其考慮了系統(tǒng)剩余容量的問題，與實際中用戶生成通信業(yè)務(wù)量過程不符；文獻(xiàn)［6］假定用戶通信業(yè)務(wù)量隨著指揮層級呈指數(shù)級增長，使用吸引系數(shù)法構(gòu)建了業(yè)務(wù)量生成模型，但是業(yè)務(wù)量基準(zhǔn)值依賴于外軍數(shù)據(jù)且修正系數(shù)考慮了打擊干擾和失敗重傳，導(dǎo)致模型與真實情況不符，模型難以有效應(yīng)用；文獻(xiàn)［7］基于FBM 模型生成業(yè)務(wù)量，但是模型較為復(fù)雜，生成過程不易控制，且一次實驗生成的業(yè)務(wù)量不可改變，不適用于仿真中用戶通信業(yè)務(wù)量的動態(tài)變化。

本文根據(jù)不同樣式下的不同用戶通信業(yè)務(wù)量統(tǒng)計分析，依據(jù)用戶之間通信業(yè)務(wù)量大小，區(qū)分不同作戰(zhàn)階段，基于吸引系數(shù)法和泊松流模型提出了用于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)仿真的通信業(yè)務(wù)量建模方法，并建立了用戶通信業(yè)務(wù)量生成模型。該模型不依賴于具體的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不需要研究通信業(yè)務(wù)量變化細(xì)節(jié)，從總體上模擬出不同作戰(zhàn)階段和不同用戶通信業(yè)務(wù)量，運算較快、復(fù)雜度較低，有效滿足了仿真中用戶業(yè)務(wù)量生成需求。

1 用戶業(yè)務(wù)量表示

實際作戰(zhàn)中，某指揮機構(gòu)與其余指揮機構(gòu)之間的通信無需考慮具體的網(wǎng)絡(luò)組織，為端對端的雙向通信，可用圖［8］來表示，故每一個用戶可抽象為圖中的一個節(jié)點，指揮機構(gòu)之間的通信聯(lián)絡(luò)可抽象為圖中的邊，通信業(yè)務(wù)量為邊的權(quán)值，據(jù)此可構(gòu)建業(yè)務(wù)量矩陣，如式（1）所示。

其中，F(xiàn)n×n為某時刻用戶業(yè)務(wù)流量矩陣，n 為用戶數(shù)量，矩陣行表示業(yè)務(wù)發(fā)送用戶，矩陣列表示業(yè)務(wù)到達(dá)用戶，矩陣元素值fij表示某時刻從第i 個用戶發(fā)送至第j 個用戶的業(yè)務(wù)量。

2 建模條件

用戶通信業(yè)務(wù)量生成依賴于以下建模條件：

1）指揮機構(gòu)用戶業(yè)務(wù)量模型須建立在指揮機構(gòu)之間通信關(guān)系確定基礎(chǔ)上，即在仿真前須確定本次仿真中指揮機構(gòu)之間的通信關(guān)系，隨著仿真的推進，指揮機構(gòu)之間的通信關(guān)系會發(fā)生一定變化，但這種變化應(yīng)在仿真前已確定。仿真中，核心是檢驗通信網(wǎng)系對通信業(yè)務(wù)量的承載能力，并不需要產(chǎn)生十分精確的通信業(yè)務(wù)量，故只需反映不同層級不同類別指揮機構(gòu)的通信業(yè)務(wù)量趨勢。

2）戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)在仿真中其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會發(fā)生一定變化，但是保障指揮機構(gòu)入網(wǎng)的通信節(jié)點是固定的，不會隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而變化，故指揮機構(gòu)用戶生成的通信業(yè)務(wù)量與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無關(guān)。

3）實際作戰(zhàn)中，同一指揮機構(gòu)在不同作戰(zhàn)階段發(fā)送的通信業(yè)務(wù)量強度不同，故在仿真中模擬生成的指揮機構(gòu)用戶業(yè)務(wù)量要能夠反映不同作戰(zhàn)階段的通信業(yè)務(wù)量變化?；诖朔治?，構(gòu)建的通信業(yè)務(wù)量模型可分為基礎(chǔ)模型和系數(shù)模型，其中基礎(chǔ)模型應(yīng)當(dāng)依據(jù)指揮機構(gòu)類別和層級相對固定，其可通過通信業(yè)務(wù)量均值來反映，系數(shù)模型主要體現(xiàn)不同作戰(zhàn)階段通信業(yè)務(wù)量的變化。此外，仿真通常需要統(tǒng)計分析多次采集的時延和準(zhǔn)確率等相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，故每一次生成的通信業(yè)務(wù)量應(yīng)有一定的變化。

4）不同作戰(zhàn)樣式不同作戰(zhàn)階段同類型指揮機構(gòu)產(chǎn)生的通信業(yè)務(wù)量不同，但是通過采集分析不同作戰(zhàn)樣式下作戰(zhàn)演習(xí)通信業(yè)務(wù)量數(shù)據(jù)，可獲取同類型指揮機構(gòu)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量強度均值。

3 模型構(gòu)建

3.1 基礎(chǔ)模型

通常指揮機構(gòu)生成通信業(yè)務(wù)量的過程可用3種模型表示：泊松流、簡單后效流和重復(fù)呼叫流模型［3］。其中，泊松流假設(shè)用戶之間相互獨立，發(fā)起通信業(yè)務(wù)時相互之間無影響，且不考慮網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前剩余容量和失敗重傳；而簡單后效流需考慮傳輸時刻網(wǎng)絡(luò)的剩余容量；重復(fù)呼叫流需考慮通信業(yè)務(wù)的傳輸失敗與重傳。真實戰(zhàn)場空間中，指揮機構(gòu)之間發(fā)起通信業(yè)務(wù)只與實際作戰(zhàn)需求相關(guān)，與網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的剩余容量無關(guān)，當(dāng)發(fā)起通信業(yè)務(wù)失敗后，由指揮機構(gòu)自身決定是否需要發(fā)起新的通信業(yè)務(wù)；其次數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真業(yè)務(wù)、圖像業(yè)務(wù)某次傳輸失敗后可以進行重傳［9］，但這應(yīng)當(dāng)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行控制，且傳輸失敗的時延計入該次通信業(yè)務(wù)的完成時延。考慮到仿真系統(tǒng)需要采集指揮機構(gòu)每次產(chǎn)生通信業(yè)務(wù)的時延、準(zhǔn)確率等數(shù)據(jù)，所以傳輸失敗后進行重傳的通信業(yè)務(wù)不能作為新產(chǎn)生的通信業(yè)務(wù)。

基于上述分析，并根據(jù)泊松流、簡單后效流和重復(fù)呼叫流模型的適用范圍，本文采用泊松過程［10］構(gòu)建指揮機構(gòu)通信業(yè)務(wù)量生成模型：

其中，λ 為平均發(fā)送率，即通信業(yè)務(wù)量強度；k 為單位之間內(nèi)發(fā)起通信業(yè)務(wù)的次數(shù)；Pk（λt）表示t 時間內(nèi)產(chǎn)生業(yè)務(wù)量為λt的概率。

考慮到話音業(yè)務(wù)與視頻業(yè)務(wù)傳輸控制協(xié)議相同，傳真業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和圖像業(yè)務(wù)傳輸控制協(xié)議相同，且話音業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)一次傳輸失敗后直接返回信息傳輸失敗，傳真業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和圖像業(yè)務(wù)一次傳輸失敗后可以重傳，所以可將話音業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)統(tǒng)稱為實時性業(yè)務(wù)，將傳真業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和圖像業(yè)務(wù)統(tǒng)稱為非實時性業(yè)務(wù)。為了便于實現(xiàn)仿真中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對通信業(yè)務(wù)的傳輸控制，所以有必要對模擬生成的通信業(yè)務(wù)進行分類。

假設(shè)經(jīng)過統(tǒng)計，某指揮機構(gòu)在一次作戰(zhàn)中產(chǎn)生的實時性通信業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量為n1，產(chǎn)生的非實時性通信業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量為n2，則二者的比例關(guān)系可以表示為：

在對模擬生成的業(yè)務(wù)量進行分類時，可隨機產(chǎn)生1 個［0，1］之間的隨機數(shù)θ，若θ≤p1，則此次產(chǎn)生的為實時性通信業(yè)務(wù)，否則此次產(chǎn)生的為非實時性通信業(yè)務(wù)。采用此方法，就可以明確模擬生成通信業(yè)務(wù)的具體類別。

根據(jù)用戶業(yè)務(wù)量矩陣［11］的表示，則有：

基于此，用戶業(yè)務(wù)量矩陣可以表示為：

由于采集λij需要記錄用戶發(fā)送的每一次數(shù)據(jù)，難度較大，且該數(shù)據(jù)不具有代表性。但是，對于同一作戰(zhàn)樣式來講，同一用戶發(fā)送的通信業(yè)務(wù)量強度λi具有一定規(guī)律，可通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到。在此基礎(chǔ)上，可采取吸引系數(shù)法的思想將λi進行分配。吸引系數(shù)通常用于描述通信業(yè)務(wù)的流向［12］，本文中用于描述指揮機構(gòu)之間通信業(yè)務(wù)的密切程度。

通常參戰(zhàn)力量可分為本級指揮機構(gòu)和直屬分隊，其中各級指揮機構(gòu)與下級指揮機構(gòu)和直屬分隊構(gòu)成指揮與被指揮關(guān)系，本級指揮機構(gòu)之間根據(jù)需要也可相互之間建立聯(lián)絡(luò)，傳輸相關(guān)信息；除此之外，本級指揮機構(gòu)根據(jù)需要還可與友鄰部隊產(chǎn)生通信聯(lián)絡(luò)。它們之間的通信關(guān)系如圖1 所示。

圖1 指揮機構(gòu)之間通信關(guān)系圖

經(jīng)過統(tǒng)計分析作戰(zhàn)演習(xí)數(shù)據(jù)，可以用戶之間最大的業(yè)務(wù)量為基準(zhǔn)值，其余用戶之間的通信業(yè)務(wù)量與基準(zhǔn)值比例作為通信業(yè)務(wù)量吸引系數(shù)，建立吸引系數(shù)表如下頁表1 所示。

根據(jù)通信業(yè)務(wù)量流向，可以得出：

其中，aij為表1 中的元素值，i 表示行，j 表示列。

3.2 系數(shù)模型

不同作戰(zhàn)階段每個用戶產(chǎn)生業(yè)務(wù)量的強度不同，為體現(xiàn)通信業(yè)務(wù)量產(chǎn)生的真實性和客觀性，進行如下定義。

3.2.1 通信業(yè)務(wù)繁忙系數(shù)bv

用來表示某作戰(zhàn)階段內(nèi)該用戶發(fā)起通信業(yè)務(wù)的繁忙程度，若某作戰(zhàn)階段內(nèi)用戶發(fā)起通信業(yè)務(wù)量較大，則越大，反之bv越小，其中v 表示作戰(zhàn)階段。為便于后續(xù)計算，則可將各階段用戶產(chǎn)生通信業(yè)務(wù)量與其中最大值的比值作為通信業(yè)務(wù)繁忙系數(shù)，則有：

表1 指揮機構(gòu)之間通信業(yè)務(wù)量吸引系數(shù)

3.2.2 用戶業(yè)務(wù)量生成隨機系數(shù)r

用來表示同一戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)不同次仿真中某用戶產(chǎn)生通信業(yè)務(wù)的隨機性。由于指揮機構(gòu)的層級和類別一經(jīng)固定，產(chǎn)生的通信業(yè)務(wù)量大小基本固定，為了體現(xiàn)不同次仿真中通信業(yè)務(wù)量的差別、降低仿真復(fù)雜度和提高仿真效率，可假定隨機系數(shù)是服從均勻分布［13］的隨機變量：

式（6）中，r 為均勻分布隨機數(shù)，rmin為隨機數(shù)的下限值，rmax為隨機數(shù)的上限值，通常rmin≤1，rmax≥1。

3.3 模型合成及構(gòu)建流程

將bv和式（6）代入式（5），可得某作戰(zhàn)階段指揮機構(gòu)通信業(yè)務(wù)量強度生成模型：

其中，v 表示作戰(zhàn)階段。

模型構(gòu)建流程如下：

1）依據(jù)需要仿真的網(wǎng)絡(luò)組織方案，確定作戰(zhàn)樣式；

2）根據(jù)方案內(nèi)容，確定參戰(zhàn)的指揮機構(gòu)層級和類別；

3）根據(jù)作戰(zhàn)樣式以及指揮機構(gòu)層級類別，調(diào)取所有參戰(zhàn)指揮機構(gòu)發(fā)送通信業(yè)務(wù)量強度數(shù)據(jù)λi；

4）根據(jù)實時性業(yè)務(wù)和非實時性業(yè)務(wù)的比例關(guān)系，確定此次生成通信業(yè)務(wù)的類別；

5）根據(jù)確定的指揮機構(gòu)層級和類別，構(gòu)建指揮機構(gòu)通信業(yè)務(wù)量吸引系數(shù)矩陣；

6）計算通信業(yè)務(wù)量吸引系數(shù)pi；

7）根據(jù)作戰(zhàn)階段劃分，計算仿真各階段的繁忙系數(shù)bv；

8）生成［rmin，rmax］之間的均勻分布隨機數(shù)r；

9）模型合成，完成通信業(yè)務(wù)量模型構(gòu)建。

流程圖如圖2 所示。

圖2 模型構(gòu)建流程

4 仿真驗證

模型運用中，參數(shù)設(shè)定值有：指揮機構(gòu)層級和類別，各指揮機構(gòu)用戶業(yè)務(wù)量基礎(chǔ)模型數(shù)值以及作戰(zhàn)階段繁忙系數(shù)等。假定XX 作戰(zhàn)樣式下，仿真中設(shè)置有4 個指揮所、直屬分隊、友鄰部隊以及下級營，其通信業(yè)務(wù)量強度分別為1.2 M/s、0.3 M/s、0.6 M/s、0.1 M/s、0.2 M/s、0.08 M/s、1 M/s。通常情況下，作戰(zhàn)過程可分為準(zhǔn)備階段、實施階段和結(jié)束階段［14］，本文中通信業(yè)務(wù)量最大的實施階段繁忙系數(shù)為基準(zhǔn)值1，準(zhǔn)備階段和結(jié)束階段繁忙系數(shù)分別為0.6、0.4，分別運行3 次，按照表1 中第1 行至第8 行順序生成的3 個作戰(zhàn)階段通信業(yè)務(wù)量強度分別如圖3～圖5所示。

圖3 準(zhǔn)備階段指揮機構(gòu)產(chǎn)生通信業(yè)務(wù)量強度（M/s）

圖4 實施階段指揮機構(gòu)沉聲通信業(yè)務(wù)量強度（M/s）

圖5 結(jié)束階段指揮機構(gòu)產(chǎn)生通信業(yè)務(wù)量強度（M/s）

本文研究設(shè)計的指揮機構(gòu)用戶通信業(yè)務(wù)量模型，已經(jīng)在“XX”軟件系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用，效果較好，模型生成的通信業(yè)務(wù)量與樣本數(shù)據(jù)之間的NMSE［15-16］小于-20。

5 結(jié)論

本文著眼戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)仿真實際需求，針對當(dāng)前通信業(yè)務(wù)量建模方法的局限性，提出了一種用于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)仿真的通信業(yè)務(wù)量建模方法，建立了較好滿足戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)仿真的通信業(yè)務(wù)量生成模型，并詳細(xì)分析了該建模方法的計算流程，最后通過仿真驗證了該模型的適用性。仿真結(jié)果表明，該模型能夠有效地生成符合指揮機構(gòu)類別層級變化趨勢的通信業(yè)務(wù)量，為分析通信業(yè)務(wù)的通斷、時延和準(zhǔn)確率等通信保障效果提供了數(shù)據(jù)支撐。下一步可針對不同作戰(zhàn)階段內(nèi)的通信業(yè)務(wù)量變化進行進一步改進。