復雜電磁環境下機動通信網絡抗毀性評估

李承劍，李偉華，李琳琳，胡善岳

（1.第二炮兵工程學院 指揮自動化系，陜西 西安 710025；2.西北工業大學 計算機學院，陜西 西安 710129）

戰時，機動通信網絡將面臨犬牙交錯的敵我戰場態勢，特別是極為復雜的電磁環境。在電子對抗不斷變化的情況下，機動通信網絡的抗毀性也會發生動態改變。因此，在機動通信網絡的設計階段和建設初期，如果不能充分考慮到戰時復雜電磁對抗環境對網絡抗毀性的巨大影響，不能相應地采用“失效規避”優化措施，實現高抗毀性的設計和建設，那么，等建設好的通信網絡投入實戰時，將很可能出現意想不到的各種通信不暢甚至失效的情況[1]。

如何達到機動通信網絡在真實戰場條件下受敵電子戰影響下的穩定性和抗毀性最強這一目標，關鍵取決于網絡設計階段的方案選型時，第3方評估機構對其做出的網絡抗毀性評估結論是否與真實的戰場情況相符。而“相符”的必要條件是其采用的通信網絡抗毀性評估方法能夠貼近實際，最大限度的模擬出機動通信網絡所面臨的戰場復雜電磁對抗環境的挑戰[2]。

在文獻[3]定義的基礎上，給出復雜電磁環境下機動通信網絡抗毀性的定義：戰時，機動通信網絡遭到敵方軟硬電子戰打擊，部分通信節點或鏈路被毀的情況下，殘存機動通信網絡繼續提供通信保障，圓滿完成任務的能力。

依據參考文獻[4]和[5]將機動通信網絡抗毀性評估指標體系劃分為3個層次：網絡可用性、網絡生存性和設備級可靠性。

圖1 機動通信網絡抗毀性評估指標體系Fig.1 Mobile communication network invulnerability assessment index system

1 機動通信網絡抗毀性評估模型

1.1 機動通信網網絡模型描述

一個網絡可表示為一個由點集V和邊集E組成的圖G=（V，E）。

在機動通信網絡中，可把所有的實體，包括D級節點、指揮單元、通信單元等抽象為節點，V={v1，v2，v3，…，vn}表示節點集合。

節點通過各種通信手段連接到一起，所有的通信手段均可抽象為權值（綜合通信能力）不同的邊，E={e1，e2，e3，…，en}?V×V表示邊的集合。

N=|V|表示節點數，W=|E|表示邊數。

1.2 復雜電磁模擬環境模型設計

復雜電磁模擬環境模型的設計主要考慮以下幾個方面：

1）在復雜電子對抗環境下，機動通信網同時面臨“通信設備自身發生故障”和“遭敵電子戰攻擊”兩種負面影響；

2）敵方能獲取一定程度的機動通信網絡拓撲情況和通信參數，但基本不可能出現“完全了解”我方網絡的情況，所以敵方電子戰攻擊是典型的“基于不完全信息”的攻擊方式；

3）敵方的電子戰攻擊策略不斷變化，常見的有：無確定目標的隨機區域性電子壓制、在已確定的目標群中隨機選擇摧毀/干擾目標、按照優化策略有針對性的摧毀/干擾重要目標。

1.2.1 復雜電磁模擬環境總體模型

假設全網中共有N個通信節點、W條通信鏈路，總體對應節點集合V；

總體負面影響TI=設備自身故障影響SI+敵電子戰攻擊影響EW；

SI可表示為：全網中各節點vi和各鏈路ei根據一定概率P1失效；

EW=隨機攻擊EW_R+選擇性攻擊EW_S；

EW_R可表示為：全網中各節點vi和各鏈路ei根據一定概率P2失效。

1.2.2 選擇性攻擊EW_S建模

根據機動通信網絡抗毀性評估的特定需求，參考文獻[2]完成針對機動通信網絡的選擇性攻擊建模。該建模發生在敵方已經獲取我方機動通信網絡的局部位置的詳細情報信息，其攻擊策略是按照節點/鏈路的重要性指標排序的結果，選擇性地攻擊N×P3個節點。EW_S建模中需要解決兩個問題：

1）如何表示“我方機動通信網絡已遭敵方獲取詳細情報的局部位置”；

2）如何表示“敵方最終選擇攻擊的節點”。

下面的分析以節點為例，鏈路的分析過程相同。令網絡中節點vi的重要性指標為Ci，重要性指標采用節點度值大小來描述。令θi表示節點的重要性指標獲取狀態，即若vi的重要性指標Ci已知，則θi=1，否則θi=0。稱所有已被獲取重要性指標節點的集合為“已知區域”A，即 A={vi|θi=1，vi∈V}，所有未被獲取重要性指標節點的集合為“未知區域”，即={vi|θi=0，vi∈V}。這樣，攻擊重要性指標的度量問題就轉化成“已知區域”A的確定問題。

接下來討論如何確定A：

1）A包含節點的數量

把A的確定轉化成非隨機抽樣問題，它指總體中某一單元的抽樣概率與該單元的某一輔助變量大小成正比。樣本對應已知區域A，樣本容量為 n1=Nα，其中α∈[0，1]為敵方對我方目標重要性指標的偵察覆蓋范圍參數。越大，敵方獲取的目標重要性指標越多。考慮兩種極端情況[2]：

① 當α=0時，n1=Nα=0，敵方未偵察到的我方重要性指標節點，EW_S影響為0；

② 當α=1時，n1=Nα=N，敵方偵察到的我方目標重要性指標量覆蓋整個機動通信網絡，EW_S實現“完全信息攻擊”。

2）A具體包含哪些節點

構造節點vi的輔助變量如下：

其中δ∈[0，∞）為敵方對我方目標重要性指標的偵察精度參數。δ越大，敵方越可能獲取到的重要性指標節點概率越大，即獲取的目標重要性指標精度越高。可得單次抽樣（n1=1）節點vi的入樣概率為：

為避免重要性指標高的節點重復抽樣，造成抽取的樣本數小于n1，將樣本抽取過程設計如下：

① 按照公式（2）中的概率抽取一個樣本；

②將剩余節點按重要性指標排序并重新計算輔助變量和入樣概率Si。

③ 重復①-②直至抽出n1個樣本。

現在，假設敵方已經確定的已知區域為A（n1=|A|=Nα），需要攻擊網絡中的N×P3個節點，節點被攻擊后與其相連接的邊隨之移除。考慮一種最簡單的攻擊模式：先攻擊已知信息節點，再攻擊未知信息節點，即：

若P3≤α，直接在已知區域A中按照節點的重要性從大到小依次攻擊。

若P3>α，先全部攻擊已知區域A中的節點，然后在未知區域隨機攻擊N×（P3-α）個節點。

至此，電子對抗條件下作戰模擬環境模型設計完畢。

1.3 機動通信網絡抗毀性評估模型

將機動通信網絡結構轉化為一個無向賦權圖，依據各種現有資料和用戶特定需求，對各節點和邊賦予不同的權值，在模擬的復雜電磁環境下，根據所建立的抗毀性評估模型來計算機動通信網絡的整體抗毀性。

1.3.1 機動通信網絡抗毀性總體模型

在文獻[5]的研究基礎上，文中進一步提出機動通信網絡抗毀性總體模型為：

式中：

SEW—復雜電磁環境下機動通信網絡抗毀性；

An—為n個D級節點提供通信保障的機動通信網在理想狀態下的綜合能力，即節點依托機動通信網絡保障下的能力；

AEW_n—為n個D級節點提供通信保障的機動通信網在復雜電磁環境下部分節點/鏈路失效后，D級節點依托剩余機動通信網絡保障下的能力。

其中：Ci為具有連通能力的D級節點的權值 （戰斗價值），該權值由使用該模型的首長機關根據任務特點給出；Li為理想情況下，Ci節點與指揮控制節點之間，在完整機動通信網絡情況下的一條最優路徑的權值 （最大綜合通信能力）；Li′為在復雜電子對抗環境下，部分節點/鏈路失效后，Ci節點與指揮控制節點之間，剩余通信網絡中一條最優路徑的權值（最大綜合通信能力），如果該Ci節點與指揮控制節點之間已經不存在任何聯系，那么權值為0；

Li和Li′的值由兩個因素得出：

1）該條最優路徑包含的從指揮節點到該Ci節點的通信鏈路（邊）的集合；

2）路徑中各條鏈路（邊）的鏈路通信質量參數（具體指標：鏈路帶寬、鏈路時延、鏈路占用率等）。

1.3.2 機動通信網絡抗毀性評估計算方法

如圖2所示，計算順序按照箭頭方向，從上到下，從左至右。圖中方框對象表示“獲得的計算結果”，橢圓型框對象表示“中間計算過程”。最終結果在SEW。

圖2 機動通信網絡抗毀性評估計算方法Fig.2 Mobile communication network invulnerability assessment calculation method

2 機動通信網絡抗毀性仿真評估

2.1 機動通信網絡模型構造

假設某機動通信網絡拓撲如圖3所示，其中節點1-2分別代表“AA級節點”和“A級節點”；節點 3-4代表“B級節點”；節點5-7表示“新型C級節點”，指揮六個“小型D級節點”（節點10-15）；節點 8和 9表示“傳統C級節點”，連接1個中型D級節點（節點16）或大型D級節點（節點17）。

圖3 機動通信網絡拓撲Fig.3 Mobile communication network topology

同時，根據掌握的現有資料，對各級節點間的通信鏈路質量賦權值如下：

1）A級節點—AA級節點：1；

2）A級／AA級節點—B級節點：0.95；

3）B級節點—C級節點：0.9；

4）A級節點—C級節點：0.9；

5）B級節點— B級節點：0.9；

6）C級節點—C級節點：0.95；

7）C級節點—D級節點：0.95。

對各種類型的D級節點價值賦權如下（具體運用時由各評估單元自行賦值）。小型D級節點：1；中型D級節點：5；大型D級節點：10。據此生成D級節點價值權植向量F=[1 1 1 1 1 1 5 10]。

根據以上的拓撲和鏈路權植情況，繪出賦權的機動通信網絡鄰接矩陣如圖4所示。其中：“∞”表示“未直接連接”。

2.2 機動通信網絡抗毀性仿真評估

基于復雜電磁環境下機動通信網絡抗毀性評估模型，在D級節點價值權植向量F和機動通信網絡鄰接矩陣的基礎上，通過不斷改變復雜電子對抗環境的參數以模擬機動通信網絡在各種條件下與不同類型的強敵作戰的網絡抗毀性。仿真通過Matlab完成，X軸代表仿真的次序，Y軸表示計算出的抗毀性結果。每種環境模擬100次情況。

1）第1種參數設置，仿真結果如圖5所示。

圖4 賦權的機動通信網絡鄰接矩陣Fig.4 Mobile communication network empowerment adjacency matrix

①全網中各節點vi和各鏈路ei失效概率P1=0.01；

②全網中各節點vi和各鏈路ei遭敵方隨機攻擊失效概率P2=0.01；

③敵方對已偵查區域A進行選擇性攻擊的節點數比例P3=0.05；

④ 敵方對我方目標重要性指標的偵察覆蓋范圍參數α=0.5；

⑤敵方對我方目標重要性指標的偵察精度參數α=2。

其中，圖中分散實心圓點表示每次仿真時獲得的抗毀性評估值，成排菱形點表示抗毀性評估的均值。

圖5 第1種參數設置下的抗毀性仿真結果Fig.5 The first parameter settings of invulnerability simulation results

2）第2種參數設置，改變P3=0.1，其它參數不變，仿真結果如圖6所示：

圖6 第2種參數設置下的抗毀性仿真結果Fig.6 The second parameter settings of invulnerability simulation results

3）第3種參數設置，討論P3在[0.01，0.31]值域區間內變化，其他參數不變，仿真結果如圖7所示：（敵方對已偵查區域A進行選擇性攻擊的節點數比例P3，其范圍從P3=0.01，每次遞進0.006，一直仿真至P3=0.31）。

其中，X軸表示仿真的次序，同時每次的P3值=0.01+0.006×當前次序數。

圖7 第3種參數設置下的抗毀性仿真結果Fig.7 The third parameter settings of invulnerability simulation results

由圖可見，當仿序數17時抗毀性值為0，此時P3=0.01+0.006 17=0.112。

4）第4種參數設置，討論在[0.1，0.85]值域區間變化，其它參數不變，仿真結果如圖8所示。

動態改變敵方對我方目標重要性指標的偵察覆蓋范圍參數α，其范圍從α=0.1，每次遞進0.015，一直仿真至α=0.85。

其中，X軸表示仿真的次序，同時每次的α值=0.1+0.015×當前次序數。

圖8 第4種設置下的抗毀性仿真結果Fig.8 The fourth parameters settings of invulnerability simulation result

5）第5種參數設置，討論在[2，9.5]值域區間變化，其他參數不變，仿真結果如圖9所示。

圖9 第5種設置下的抗毀性仿真結果Fig.9 The fifth parameters settings of invulnerability simulation results

動態改變敵方對我方目標重要性指標的偵察精度參數，其范圍從δ=2，每次遞進0.15，一直仿真至δ=9.5。

其中，X軸表示仿真的次序，同時每次的δ值=2+0.1×當前次序數。

3 結 論

從仿真實驗中可以得出以下的分析結論：

按照典型的電子對抗情況，參與模擬的機動通信網絡抗毀性不高，在敵方只攻擊已偵查目標的5%的情況下，綜合抗毀性也僅在70%-80%之間；參與模擬的機動通信網絡抗毀性不穩定，在拓撲設計上存在瑕疵，一旦敵方擴大攻擊已偵查目標的比例，機動通信網絡綜合抗毀性立刻大幅下降；在當前網絡拓撲結構下，敵方在已充分偵查的前提下，只要攻擊節點的比例超過11.2%，機動通信網絡即將遭到毀滅性的打擊，指揮部完全失去對D級節點的指揮能力；在當前網絡拓撲結構下，敵方偵查的廣度和精度對抗毀性影響不大，只要偵查并定位到少量的關鍵節點即可。

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