一種網絡中心戰數據傳輸效率度量方法

肖 鵬，王 巖，于海霞

（空軍航空大學 航空作戰勤務學院，長春130022）

0 引 言

網絡中心戰（Network Centric Warfare，NCW）是由平臺中心戰逐步發展而來的綜合一體化打擊系統，并集成了全局信息網絡、傳感器網絡和投射器網絡。美國海軍研究生院的Phillip E.Pace教授對NCW的定義為：在現有傳感器信息與網絡技術水平條件下，將分散的決策制定人員、武器系統、態勢與瞄準傳感器和部隊廣泛地集結在一起，使之成為一個高度自適應的綜合軍事行為系統，以獲得前所未有的作戰效能。［1］

NCW并不是簡單地將若干種類型的傳感器人為地拼接到一起，其為了追求作戰效能的最大化，在根據不同的作戰任務和環境因素等綜合作戰需求的前提下，如何最大限度地發揮每個網絡節點的效能才是NCW的核心所在。［2?3］如果讓網絡拓撲結構肆意擴大，不僅會給網絡信息態勢共享帶來困難，還會打破節點間協同處理的優勢，這對整個NCW來說是災難性的。為了體現這種作戰優勢和縝密的戰斗序列部署能力，從圖1著手對NCW的工作流程進行分析。

傳感器網絡在空間探測到目標后將態勢信息共享到決策和投射器節點，決策系統在整個NCW中占有最高優先權［4］，負責NCW的任務規劃和資源調度。決策系統控制投射網絡對目標實施跟蹤定位，并根據目標的移動軌跡及投射器的戰術技術指標對傳感器共享的態勢信息進行修正，最終將毀傷效果通過傳感器網絡反饋到決策中心。

通過對典型NCW系統工作流程的描述發現，這種定量的描述語言過于籠統，很難對NCW系統有一個深入分析的切入點。利用接下來的數學模型，可以全面剖析NCW網絡拓撲結構的優越性。

圖1 典型NCW系統組成及工作流程

1 廣義連接性量度

在以多傳感器和武器為平臺的作戰體系架構中，一個與時間t相關聯的廣義連接性量度CM被定義為［5］

其中，NT表示網絡中的節點數目；Nμ是連接到節點μ的所有節點數目；Nμ，ν表示連接節點μ和γ的所有可能路徑的數量總和；是節點的能力值，根據節點在網絡拓撲中擔負的任務不同，Kμ(t)值也不盡相同；是連接節點μ和ν的路線γ的信息流參數，是路徑長度d和時間t的函數。

為了簡化與路徑d以及時間t的函數關系，將分為時間無關量Lμ，ν和時間相關量(t)，且(t)正比于d的ξ次冪。于是式（1）可以簡化為

若再考慮一種理想的網絡連接狀態：假設Kμ(t)是時間無關的，且拓撲結構中的任意兩個節點要么是相連的，要么是不相連的（或為1）；對所有路徑d，標度量指數ξ＝1，時間無關信息流量參數Lμ，ν＝1。則式（2）可以進一步簡化為

由式（3）可以歸納出：連接性與時間無關，即Kμ(t)＝Kμ和其任意兩個節點要么是相連的，要么是不相連的。

2 參考連接性量度

參考連接性量度被定義為一個所有網絡節點全部雙向互聯的拓撲結構，且每一個節點的能力值Kμ＝1，參考連接性量度只與節點總數相關：

由此可以看出，對于節點數目相同的網絡拓撲結構，參考網絡具有最高的連接性量度。

3 網絡覆蓋率

當用對式（3）進行歸一化處理時，就得到了網絡覆蓋率IR的定義：

利用參考網絡歸一化可以研究網絡連接、不同節點（連接）的變化程度。在網絡節點發生故障或遭到網絡電子攻擊時，IR可以全面統計分析這種不利因素對網絡性能造成的破壞效果，從而在確保NCW不丟失基本作戰效能的前提下，使整體作戰效能最大化，并為指揮人員謀劃新的作戰策略提供支撐。

4 擴展廣義連接性量度

當某條路徑上一個被橫穿節點的能力值較低時，此路徑將很難維持全面的傳感器信息交互能力。這不僅嚴重阻礙了該條路徑上所有節點效能的發揮，還成為制約整個拓撲網絡信息暢通交互的隱性因素。為了徹底排除這種潛在的不利因素，現將關于連接性量度的定義擴展如下：

其中，Kγ表示路徑γ的最低能力權值Kμ，且Kγ值的選取僅考慮開始節點與交換節點，這是因為許多軍事網絡的節點只接收數據，而在發射時無等效的信息處理能力。

5 網絡中心戰聯合打擊場景模擬

考慮一種場景設置：從“查菲”號驅逐艦（能力值K＝1.0）發射一枚“戰斧”式巡航導彈，以摧毀某個恐怖組織的武器系統，如圖2所示。為追蹤得到摧毀效果報告，一架“捕食者”無人機緊跟著“戰斧”式巡航導彈。為了提供情報、監視和偵察能力，還使用了一架“全球鷹”無人機（K＝0.8）。“戰斧”式巡航導彈的能力值假定為K＝0.3，這是出于其有限的連接性和信號路由變更的選擇（它到“全球鷹”是單向連接），“捕食者”也只有有限的信號路由變更能力，并假定能力值K＝0.5。考慮到每條連接有一個流通量，其值要么是1，要么是0。

圖2 NCW作戰場景模擬

為了定量分析此次打擊行動的NCW作戰效能，結合上述分析指標并利用MATLAB構建了圖3所示的系統仿真鏈路圖，其中細線代表NCW系統中網絡拓撲節點間的連接關系，粗線代表NCW即將攻擊的目標鏈路。最終計算結果如表1所示。

表1中，CM＝10.3333，IR＝0.32。表1分析了圖3中每條可能存在的鏈路的連接情況，并指出了每條鏈路的貢獻值和瓶頸節點，其中第3、12、23、26、27、30號鏈路對整個網絡的貢獻值最低（同為0.1），且這幾條鏈路的瓶頸節點同為4號節點（“戰斧”式巡航導彈的能力值假定為K＝0.3），這與場景建立過程中的預設條件吻合，說明了這種度量方法的準確性和可行性。為了更全面地分析度量方法的可行性，在下面的場景模擬中，假設將“捕食者”無人機從NCW系統中去除掉，則構建的仿真鏈路模型如圖4所示，計算結果如表2所示。

圖3 系統仿真鏈路圖

表1 擴展連接性量度計算結果

圖4 去除“捕食者”無人機后的仿真鏈路圖

表2 去除“捕食者”無人機的擴展連接性量度計算結果

表2中，CM＝4.25，IR＝0.47。對比表1發現，表2中去除“捕食者”無人機后網絡連接性量度下降的同時，網絡的覆蓋率反而增大了。這是因為圖4的NCW在缺少戰場毀傷跟蹤這一角色后（在圖3中由“捕食者”無人機承擔），“全球鷹”節點的數據流通量明顯增大了，在發揮“全球鷹”潛在能力的同時整個網絡的作戰效能比圖3所示的NCW提升了46.9%。這與“如何最大限度地發揮每個網絡節點的效能才是NCW的核心”的思想是相符的，再一次證明了這種度量方法的可行性。

6 結束語

通過獲得NCW的連接性量度和網絡覆蓋率，可以全面分析網絡的魯棒性；通過這些數值的比較，使受到攻擊時的實際網絡行為現象表現出來。實際上，連通測試量值的變化速率是斷開連接和受到攻擊節點的數目的函數，為觀察傳感器網絡的魯棒性提供了一個很好的手段。

隨著網絡拓撲節點數目的增加，網絡復雜性和穩健性逐步提升，節點間的協同響應變得復雜，同時節點對整個網絡結構的貢獻值變得微弱。為了獲得更高效的協同作戰體系結構，從本文的仿真結果來看，應盡量減少網絡節點的數量，努力將信息優勢轉化為打擊優勢，最大限度地展現出網絡中心戰的作戰效能。