賈 昌，劉 蕾，孫劍偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第十五研究所,北京 100083)

0 引 言

導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路是實現(xiàn)星間精密測量和通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它對于支持全球?qū)Ш较到y(tǒng)精密定軌與時間同步、自主導(dǎo)航、境外衛(wèi)星導(dǎo)航電文上注和狀態(tài)監(jiān)視等核心功能發(fā)揮著很重要的作用[1]。隨著國際上各個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的競爭日益激烈，作為核心導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)也追求著更好的精度和更高的可靠性。準(zhǔn)確、客觀、科學(xué)的星間鏈路系統(tǒng)評估體系和評估方法研究具有十分重要的意義。和地面網(wǎng)絡(luò)存在差異，導(dǎo)航星座星間鏈路采用時分多址(Time Division Multiple Access， TDMA)體制兼顧測量和數(shù)傳功能，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的獲取依賴于衛(wèi)星回傳的遙測信息，狀態(tài)數(shù)據(jù)不完整、數(shù)據(jù)頻率較低，增加了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)運(yùn)行評估的難度，現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的管理和評估均沒有達(dá)到地面網(wǎng)絡(luò)全面、系統(tǒng)的程度。此外，現(xiàn)有針對衛(wèi)星領(lǐng)域的評估研究只涉及對衛(wèi)星系統(tǒng)性能評估方面的工作，并不能直接指導(dǎo)導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)的評估，同時由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)的場景樣本和統(tǒng)一的評估指標(biāo)體系，對于導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)還沒有形成規(guī)范的評估方法[2]。

現(xiàn)階段，星間鏈路網(wǎng)絡(luò)評估方法的研究成果較少，但在電力網(wǎng)絡(luò)、IP網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域使用的評估體系和方法是值得借鑒的。要做出客觀科學(xué)的評估需要依托于一個角度全面、指標(biāo)科學(xué)的評價指標(biāo)體系，文獻(xiàn)[3]主要選取了路由相關(guān)的性能指標(biāo)以期對星間鏈路方案進(jìn)行評估，文中確定了具體的評估指標(biāo)，在指標(biāo)選取上對本文有很大的參考意義，但評估方法較為簡單。本文相較其建立了更為清晰的評估指標(biāo)體系，選用了更為具體的評估方法。文獻(xiàn)[4]對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的評估依賴于多維數(shù)據(jù)評估的網(wǎng)絡(luò)評估模型，在計算物理、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)層各個指標(biāo)權(quán)重上使用了BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，文中圍繞物理、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)3個方面構(gòu)建了指標(biāo)體系，為本文的體系構(gòu)建提供思路。文獻(xiàn)[5]針對自治系統(tǒng)(Autonomous System， AS)網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，提出首選路由重要性評估方法，最后與其他方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明評估結(jié)果更符合實際情況。文獻(xiàn)[6]針對智能電網(wǎng)戰(zhàn)略指標(biāo)集進(jìn)行多維分解并轉(zhuǎn)化，從智能電網(wǎng)利益出發(fā)構(gòu)建了多層級的需求體系結(jié)構(gòu)，使得此構(gòu)造的指標(biāo)體系便于應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]提出了一個十分重要的指標(biāo)，這個指標(biāo)與可評估傳送網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量有關(guān)，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一套傳送網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量評價方法。文獻(xiàn)[8]針對路徑性能和網(wǎng)絡(luò)性能評估，從多指標(biāo)角度評估路徑和網(wǎng)絡(luò)的綜合性能，同時也可以對路徑和網(wǎng)絡(luò)之間的性能變化進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[9]是針對傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)綜合性能評估的研究，通過分析數(shù)據(jù)并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，提出了基于圍繞網(wǎng)絡(luò)鏈路和路由器2個方面的評估模型，該模型著眼于網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)的劃分，為本文的研究提供了一個很好的思路。文中從節(jié)點(diǎn)和路徑2個角度對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了系統(tǒng)級的評價。本文較之不同，是從系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能角度從邏輯上進(jìn)行評估指標(biāo)體系的構(gòu)建，更符合運(yùn)行服務(wù)評估的目的。文獻(xiàn)[10]著眼于網(wǎng)絡(luò)健康狀況，考慮一種全新網(wǎng)絡(luò)可靠性評估指標(biāo)，從而能夠得出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的可用性狀態(tài)。

本文結(jié)合導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)評估問題實際，研究建立從星間鏈路系統(tǒng)本身運(yùn)行狀態(tài)和為用戶提供服務(wù)效果質(zhì)量方面建立的運(yùn)行服務(wù)評估體系；研究建立以開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型(Open System Interconnection， OSI)為依據(jù)建立的運(yùn)行服務(wù)評估指標(biāo)體系，通過引入層次分析法(Analytic Hierarchy Process， AHP)和模糊數(shù)學(xué)方法，實現(xiàn)改進(jìn)的模糊綜合評估方法。

1 構(gòu)建運(yùn)行服務(wù)評估指標(biāo)體系

做出科學(xué)、客觀的評估需要依托于一個角度全面、指標(biāo)科學(xué)的評價指標(biāo)體系，本章主要介紹評價指標(biāo)體系的構(gòu)建方法。

1)確定指標(biāo)集。

這里所說的指標(biāo)集是需要被評價的一些指標(biāo)，用U={u1,u2,…,um}表示，表示本文從哪些角度進(jìn)行評價。這由多層指標(biāo)因素集來表示，模糊綜合評估系統(tǒng)的最終目標(biāo)是通過導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的信息，所以需要考量所有基本指標(biāo)因素對整體的影響，以完成對星間鏈路運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量的綜合評價。

為了科學(xué)地評價導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量，本文在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以O(shè)SI參考模型為依據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)層次為角度，構(gòu)建一種關(guān)于評價運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量的指標(biāo)體系。該體系共有5類一級指標(biāo)，分別為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層的服務(wù)狀態(tài)。物理層的指標(biāo)主要涉及控制網(wǎng)絡(luò)物理參數(shù)，為評價網(wǎng)絡(luò)物理特性的指標(biāo)；鏈路層的指標(biāo)則主要是與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嚓P(guān)聯(lián)的指標(biāo)；網(wǎng)絡(luò)層的指標(biāo)是與星間鏈路網(wǎng)絡(luò)路由相關(guān)聯(lián)的因素指標(biāo)；傳輸層的指標(biāo)主要涉及網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)、反映傳輸性能的因素指標(biāo)；應(yīng)用層的指標(biāo)是涉及用戶接入、為用戶提供服務(wù)所涉及的因素指標(biāo)。導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路網(wǎng)絡(luò)具有與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)相似的層次體系，這樣劃分的目的是能夠更加清楚地分析出星間鏈路系統(tǒng)各個層級的指標(biāo)對系統(tǒng)的影響。指標(biāo)來源依賴于系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的劃分，源于對底層指標(biāo)的綜合和計算。例如，通過對節(jié)點(diǎn)數(shù)傳信息的統(tǒng)計計算，能夠衍生出數(shù)據(jù)吞吐量、丟包率、節(jié)點(diǎn)緩存占用率等指標(biāo)；通過對鏈路信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，能夠直接或間接獲得端到端傳輸跳數(shù)、端到端傳輸時延等鏈路指標(biāo)。體系的構(gòu)建以及指標(biāo)層次的劃分不僅涵蓋了物理結(jié)構(gòu)的點(diǎn)和鏈路的因素，也滿足了業(yè)務(wù)功能邏輯角度的評估要求。

為了更加準(zhǔn)確和方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和評價，本文基于對星間鏈路性能的影響因素分析，對二級指標(biāo)進(jìn)行歸納整理，與此同時，總結(jié)成5類一級指標(biāo)。詳細(xì)內(nèi)容如表1所示。

表1 星間鏈路運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量評價指標(biāo)體系

2)確定備擇集。

用集合V表示備擇集，V={v1,v2,…,vk},k為備選項的數(shù)目。本文將星間鏈路運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量分為5個等級，分別為非常好、很好、中等、較差、非常差。

3)確定權(quán)重集。

本文根據(jù)層次分析法的流程和算法得到了導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)評價指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層和因素層的指標(biāo)權(quán)重，從而為模糊評價提供了權(quán)重集，同時體現(xiàn)各個指標(biāo)在整個體系中的重要性的區(qū)別，反映了指標(biāo)體系中各個層次指標(biāo)對運(yùn)行服務(wù)不同程度的影響。其中，若準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重相同，則說明所屬的底層指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重影響相同；物理層權(quán)重高于應(yīng)用層，說明物理層對運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量的影響更為明顯，也說明若系統(tǒng)底層出現(xiàn)問題對整個服務(wù)的影響是非常大的。

本文在評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，將權(quán)重集合和評判矩陣予以確定，最后運(yùn)用模糊綜合評價法進(jìn)行評價。

2 模糊綜合評價計算過程

模糊綜合評價法在評價對象關(guān)聯(lián)多個因素時評價是能夠發(fā)揮很好效果的[11]。這種評價方法一般需要2個步驟，即先對單因素進(jìn)行評價，再綜合評價所有因素。可以看出模糊綜合評價模型具有簡潔性，在對一些關(guān)系多個因素的評估問題上，該模型能夠發(fā)揮其他模型不具備的優(yōu)勢。逐對進(jìn)行評判是模糊綜合評價方法的一個特點(diǎn)，它不會受到評價目標(biāo)所屬對象集的干擾，可以使評價目標(biāo)具有唯一的評價值。

2.1 確定指標(biāo)權(quán)重

評估指標(biāo)體系權(quán)重的確定需要依賴領(lǐng)域內(nèi)專家的知識積累及不同衛(wèi)星系統(tǒng)星間鏈路的實際運(yùn)行情況，針對導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)的特性，確定各個指標(biāo)的重要程度。實際工程中，由于不同系統(tǒng)的功能特點(diǎn)以及服務(wù)要求不同，所以指標(biāo)因素重要性的側(cè)重會存在不同，需要專家結(jié)合工程特點(diǎn)及經(jīng)驗進(jìn)行客觀評價。專家打分后通過對打分結(jié)果的協(xié)調(diào)性分析，判斷專家打分結(jié)果的有效性。分值加權(quán)的具體方法可根據(jù)實際適用階段和經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

在同一層次中，根據(jù)各指標(biāo)之間重要程度兩相比較的結(jié)果，來對矩陣加以構(gòu)造和判斷，這樣可以最大程度減少在不同性質(zhì)的各因素之間比較的困難，以提高精準(zhǔn)性。此時要參考專家的經(jīng)驗，將人的主觀定性判斷轉(zhuǎn)換為如下一個定量的判斷矩陣。其中bij表示i相對于j的重要程度。

本文采用九段標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，標(biāo)度如表2所示。

表2 比較標(biāo)度表

1)物理層級內(nèi)指標(biāo)權(quán)重計算。

物理層內(nèi)選取衛(wèi)星的偽距測量幾何分布、故障率指標(biāo)進(jìn)行評價。對二者重要性進(jìn)行比較并依據(jù)比較標(biāo)度表來設(shè)置重要度，構(gòu)造判斷矩陣：

2)鏈路層級內(nèi)指標(biāo)權(quán)重計算。

鏈路層內(nèi)選用星間鏈路系統(tǒng)建鏈成功率、鏈路帶寬、鏈路數(shù)量、星間測量殘差進(jìn)行評價。對這些指標(biāo)的重要性進(jìn)行比較并依據(jù)比較標(biāo)度表來設(shè)置重要度，構(gòu)造判斷矩陣為：

3)網(wǎng)絡(luò)層級內(nèi)指標(biāo)權(quán)重計算。

網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)選取時間比對中繼路徑、端到端傳輸時延、端到端傳輸跳數(shù)、鏈路切換次數(shù)、鏈路負(fù)載均衡率進(jìn)行評價。之后對這些指標(biāo)的重要性進(jìn)行比較并依據(jù)比較標(biāo)度表來設(shè)置重要度，構(gòu)造判斷矩陣為：

4)傳輸層級內(nèi)指標(biāo)權(quán)重計算。

物理層內(nèi)選取數(shù)據(jù)吞吐量、丟包率、節(jié)點(diǎn)緩存占用率、傳輸帶寬利用率、數(shù)據(jù)傳輸成功率進(jìn)行評價。之后對這些指標(biāo)的重要性進(jìn)行比較，并依據(jù)比較標(biāo)度表來設(shè)置重要度，構(gòu)造判斷矩陣為：

5)應(yīng)用層級內(nèi)指標(biāo)權(quán)重計算。

應(yīng)用層內(nèi)選取用戶接入量、服務(wù)可用性指標(biāo)進(jìn)行評價。然后，比較指標(biāo)的重要程度，并依據(jù)比較標(biāo)度表來設(shè)置重要度，構(gòu)造判斷矩陣為：

6)綜合評估一級指標(biāo)權(quán)重計算。

結(jié)合工程和專家經(jīng)驗，將物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層進(jìn)行比較，并依據(jù)比較標(biāo)度表來設(shè)置重要度，構(gòu)造判斷矩陣為：

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

權(quán)重計算是指根據(jù)判斷矩陣計算出在某個一級指標(biāo)類型中，求解二級指標(biāo)的權(quán)重值。本文使用特征值法求解權(quán)重。可知，滿足一致性的矩陣的特征值只有一個為非零值n，其余特征值均為0。所以，當(dāng)特征值為n時，即可求解對應(yīng)的特征向量：

權(quán)重計算實質(zhì)上為計算判斷矩陣的特征向量問題，即求得構(gòu)造的判斷矩陣對應(yīng)于最大特征值的特征向量，特征向量經(jīng)單位化后即為該層次各個指標(biāo)權(quán)重值，如表4所示。

表4 權(quán)重表

2.2 模糊綜合評價計算

模糊向量的計算是綜合評估的關(guān)鍵，定量指標(biāo)和定性指標(biāo)分別按照如下方法計算：

1)定量指標(biāo)模糊向量的計算核心是計算出模糊滿意級別的隸屬度。模糊滿意度可以由高到低設(shè)置若干個級別，評估專家會結(jié)合單個度量標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)指標(biāo)變化區(qū)間給出模糊隸屬函數(shù)。本文使用三角模糊數(shù)計算隸屬度求解得到隸屬度便可得到每個指標(biāo)相對應(yīng)的模糊向量Ri={ri1,ri2,…,rin}。

2)定性指標(biāo)與能夠具體量化的定量指標(biāo)不同，定性指標(biāo)很難使用模糊隸屬函數(shù)來計算隸屬度。所以基于該特點(diǎn)本文采用專家評價法，結(jié)合星間鏈路系統(tǒng)的實際情況，統(tǒng)計專家給指標(biāo)的評價結(jié)果。設(shè)定n為專家評價次數(shù)，cij為指標(biāo)i被評價為vj的次數(shù)，則rij=cij/n，對結(jié)果進(jìn)行歸一化，就可以得到該指標(biāo)的隸屬度，從而得到模糊向量r={r1,r2,…,rn}。

通過上述方法的計算可以得到單因素的模糊向量，多個因素的模糊向量可以構(gòu)成隸屬度評判矩陣，隸屬度評判矩陣對于模糊綜合評價至關(guān)重要。設(shè)第i個評估因素ui對單因素評估得到一個相對于備擇集元素vj的隸屬度，即模糊向量Ri={ri1,ri2,…,rin}，其中i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n。ri1為因素ui具有vj的程度，即為ui對于vj的隸屬度。若對m個元素進(jìn)行綜合評估，可以得到m×n的隸屬度矩陣，其中矩陣的每一組行向量代表著對每一類指標(biāo)的評估結(jié)果。隸屬度矩陣如下所示：

綜合評估結(jié)果的計算就是利用模糊向量所構(gòu)造指標(biāo)層因素的單因素評判矩陣，通過逐層、逐級指標(biāo)的綜合，得到最終的評估結(jié)果。權(quán)重向量矩陣W與評判矩陣R的乘積就是該對象的最終評估結(jié)果，記最終評估結(jié)果為B：

B=W×R=(b1,b2,…,bn)

B能夠表示評估對象從多個角度進(jìn)行評估的結(jié)果，為了最大程度保證評價信息不丟失并放大評估結(jié)果，引入分?jǐn)?shù)集F={f1,f2,…,fk}，使用百分制對各個備擇項打分F={20，40，60，80，100}。隸屬度矩陣和分?jǐn)?shù)集相乘Z=B·F得到向量的最大值即為導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量模糊評價的綜合得分。

3 實證分析

1)數(shù)據(jù)來源。

統(tǒng)計分析評估數(shù)據(jù)源可以得出導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)集中各個單項指標(biāo)的具體值。導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)指標(biāo)綜合評估過程所引用的數(shù)據(jù)源就是由仿真平臺模擬運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)[12]。

2)數(shù)據(jù)整理。

在確定指標(biāo)權(quán)重以及針對定性指標(biāo)進(jìn)行模糊計算過程中，需要根據(jù)專家的經(jīng)驗來評價指標(biāo)重要度、定性指標(biāo)隸屬度。為了確?？煽啃?，要注意2個問題：①咨詢的專家數(shù)不能太少，因為只有這樣得到的評價結(jié)果才更加客觀，等級比例才能更趨于隸屬度。②評估人員需要對評估問題有著充分的了解，尤其在專業(yè)領(lǐng)域上更應(yīng)如此。本文在前面章節(jié)中已經(jīng)構(gòu)造出指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣并驗證了矩陣的一致性，并對定量和定性指標(biāo)做了隸屬度分析，為模糊綜合評估提供了數(shù)據(jù)支撐。

3)評價結(jié)果。

根據(jù)指標(biāo)體系和模糊評價算法，本文得到導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量統(tǒng)計情況，通過隸屬度評價矩陣和綜合評價得分進(jìn)行分別表示，具體如表5所示。

表5 評價指標(biāo)隸屬度

通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，計算得到包含所有二級指標(biāo)備擇項信息的評判矩陣。通過與權(quán)重向量加權(quán)，計算得到了隸屬度矩陣。為了最大程度保證評價信息不丟失并放大評估結(jié)果，在上文確定了分?jǐn)?shù)集。使用其對隸屬度矩陣進(jìn)行加權(quán)，最終求得模糊綜合評價得分為61.95分。計算得到的模糊綜合評價得分能夠很直觀地反映導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)的整體狀況，通過對隸屬度矩陣的分析也可以分析出不同指標(biāo)對星間鏈路運(yùn)行服務(wù)的影響程度，這一研究為導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路服務(wù)監(jiān)控與告警分析奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文通過閱讀大量文獻(xiàn)，梳理出能夠反映導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量的底層指標(biāo)。按照OSI參考模型確定一級指標(biāo)，并以此為依據(jù)對底層指標(biāo)進(jìn)行分類。此外對備擇集以及指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了確定，從而完成對導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量的評價指標(biāo)體系的構(gòu)建。將模糊數(shù)學(xué)理論運(yùn)用到仿真數(shù)據(jù)的處理之中，獲取模糊評價矩陣。再把權(quán)重向量和分?jǐn)?shù)向量結(jié)合其中，計算取得模糊評價的隸屬度矩陣和綜合評價結(jié)果，從而獲取對導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路一時間段內(nèi)運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量的評價。在本文的研究基礎(chǔ)上，下一步拓展研究可以針對不同單位時段的星間鏈路系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行研究，通過計算得到的綜合評分，可以比較出不同時段系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量的變化。同樣，也可以對不同時段運(yùn)行服務(wù)質(zhì)量綜合評分進(jìn)行聚類分析，總結(jié)各個指標(biāo)在系統(tǒng)不同時段下的表現(xiàn)，從而挖掘出更多有價值的信息。