基于模糊綜合決策的海軍通信資源匹配方法研究?

吳鑫輝 鄒 雨 鄭 銳

（中國人民解放軍91977部隊 北京 100036）

1 引言

在通信指揮領域決策過程中，由于海上編隊活動范圍廣闊，業務種類眾多，不同通信保障任務對通信質量、保障范圍、安全保密等要求不一，如何選擇恰當的通信資源保障對應的通信任務，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與短波、衛星、超短波、微波等通信資源優化匹配過程中，一方面需要綜合考慮通信質量、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，保障任務目標、通信戰法、原則的運用和風險度等決策因素往往難以用定量的數學方法來闡述，只能用模糊的、定性的、難以明確的的言語來描述，傳統的加權式、等精確性評估方法難以滿足決策需求。

目前，文獻對面向4G、5G等多基站的頻率資源調度研究較多［4～7］，但是針對海上多種通信手段和通信任務之間的通信資源匹配調度問題研究基本為空白，而隨著海上編隊作戰任務多、作戰時效性高等特點越來越明顯，亟需研究一種精細化的通信任務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，采用模糊集理論分析了不同評價指標的模糊權重和隸屬度模型，研究了通信指揮資源優化匹配計算的流程，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體系

從海軍通信指揮角度出發，評估某通信資源是否滿足某通信任務需求，可初步將通信資源滿足度指標體系分為通信系統性能指標、通信安全性指標、通信穩定性指標、通信資源使用情況等四大塊，其中：通信系統性能指標為評價通信系統性能是否滿足任務保障需求，主要包括頻率范圍、傳輸速率、平均發射功率、峰包功率、互調失真、邊帶抑制等；通信安全性能指標為評價通信安全性能是否滿足任務保障需求，主要包括網絡物理安全、終端安全、網絡安全、網管安全等；通信穩定性能指標為評價通信穩定性是否滿足任務保障需求，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為評價各類通信資源的：通信資源利用率、通信資源平均負載時長、通信設備損耗率、通信資源負載均衡度等。

圖1 通信指揮資源滿足度指標體系

3 基于模糊綜合決策的海軍通信任務資源匹配方法

3.1 模糊綜合決策應用于通信資源匹配簡介

在實際通信資源最優匹配綜合評判過程中，由于涉及的部分指標具有模糊性，導致通信指揮效果無法用確切數字來描述。例如，保障任務的重要性，通信系統性能、安全性的滿足程度等都隨著任務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、權重集，計算模糊綜合評價集等步驟［8～10］。該理論應用到通信資源匹配領域中，首先要建立通信資源與任務匹配的指標集合，其次建立與指標集合對應的權重集合和指標隸屬度函數集合，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果。

3.2 通信資源匹配隸屬函數構建方法研究

隸屬函數是模糊集合運算的重要組成部分，針對不同的模糊關系，應采用不同的方法來確定隸屬函數。由于通信資源匹配的各類指標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的隸屬函數。根據不同隸屬函數特征，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：

黃河沿岸的防務工作不僅關系到沿岸居民的生存狀況，對于穩固清朝的統治也有一定的影響，因此清政府對于黃河的防務工作十分重視。清政府和沿河每年都會撥出巨額資金來支持黃河的防務工作。而這些用以黃河治理的大量資金，黃河防務工程的財務管理上卻并沒有明確的資金賬目數據顯示，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集合U={u1,u2,…,un}，其中，元素ui代表各個影響任務資源匹配的指標，例如，通信傳輸速率、傳輸時延、安全性系數等等；建立通信資源分配指標權重集合W={w1,w2,…,wi}，權重集合W屬于指標集合U的模糊子集，其中，元素wi代表指標ui對W的隸屬度。

Step2 建立各個通信資源匹配指標的隸屬度函數，根據各個指標的不同含義和趨勢分布，根據3.2節的隸屬度函數構建方法，分析適應性的參數選擇，確定各個指標的隸屬度函數μ={μu1,μu2,…,μui}。

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

Step4 根據Step1權重集合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果。

4 通信指揮綜合決策實例

某通信指揮保障任務為指揮類報文傳輸業務，從指標體系中選擇重點的五個指標作為評估因素，包括傳輸速率、傳輸時延、傳輸誤碼率、資源利用率、傳輸安全系數五項關鍵性指標，期望要求候選的通信資源重點指標能滿足以下要求：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）安全系數大于0.7，安全系數越大越好，安全系數范圍是0～1之間。針對該保障任務，表1顯示了五種通信資源保障候選方案各個指標情況。

表1 不同通信保障方案通信指標情況

1）建立指標集

從影響通信指揮資源調度速率要求、時延要求、穩定性要求以及安全性要求的指標集合取傳輸速率、傳輸時延、傳輸誤碼率、資源利用率、傳輸安全系數五項關鍵性指標，組成模糊決策因素集。可表示為

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。

2）建立指標權重集

根據該任務屬于指揮類通信保障類任務，對傳輸的時效性和安全性要求很高，因此給定各指標的重要程度為：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，故對資源利用率指標要求較低，取0.5；對傳輸安全系數要求高，非常重要，取0.8。通過歸一化處理，可得到指標權重集為

3）指標隸屬度函數設計

根據通信指揮各項指標特性，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的隸屬度函數。根據各項指標含義，各項指標的滿意度隸度函數如所示。

對于該次通信保障任務，傳輸的是指揮類報文業務，傳輸速率指標的最低容許值為15kbps，期望值為35kbps，那么，其隸屬度函數可設計為

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

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

資源利用率指標容許值為0.8，期望資源利用率為0.5，即期望該資源負載留有余量，則隸屬度函數可設計為

安全性系數指標容許值為0.7，期望安全性系數越大越好，則隸屬度函數可設計為

4）計算評判矩陣

將不同資源匹配方案的各項指標值，代入指標隸屬度函數中，可得到五個單指標評判集分別為

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(?,+)模型進行運算得到綜合評判矩陣：

由計算結果可知，綜合考慮各方面因素，方案4為最優方案。

由于該項通信保障任務為通信指揮類業務，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為日常性通聯任務，由于該類任務頻繁、占用資源較多、時間較長，故對資源利用率指標考慮較多，那么對各個要素的權重值比例進行調整，為W=(0.20,0.10,0.10,0.40,0.20)，并代入

由計算結果可知，當任務側重目標為提高通信資源利用率時，方案1為最優方案。

由以上例子表明，由于任務性質不同，不同指標的隸屬度函數、期望值和容許值的設定，各因素權重值等都會影響最終方案評選結果。因此，在實際運用過程中，需要根據不同任務種類和性質，依據歷史積累數據和專家經驗，制定不同隸屬度參數、權重值參數模板，以適應紛繁多變的通信保障資源匹配任務需求。

5 結語

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度與分配，根據任務需求設計了相應指標權重集合和隸屬度函數，體現了通信指揮中資源匹配任務中含人主觀要素的模糊性，保證了通信資源調度在不同情形下最優調配結果。在實際通信指揮資源調度過程中，隸屬度函數和權重集合需要根據任務屬性、實際環境和專家經驗而定，建議可以根據多年經驗積累和使用實踐制定多個模糊決策參數模板，以適應多樣化通信保障任務的資源調度要求。